Mixed Reality Assistierte radikale endoskopische Thyreoidektomie

Zusammenfassung

Die radikale endoskopische Thyreoidektomie ist mit verschiedenen chirurgischen Komplikationen verbunden. In dieser Studie werden Mixed-Reality-Techniken eingesetzt, um Chirurgen bei der Durchführung einer radikalen endoskopischen Thyreoidektomie zu unterstützen, um deren Sicherheit zu erhöhen und die chirurgische Schwelle zu senken.

Zusammenfassung

Die radikale endoskopische Thyreoidektomie (ET) bietet im Vergleich zur offenen Operation bessere kosmetische Ergebnisse und eine verbesserte Sicht auf das Operationsfeld. Die einzigartigen physiologischen Funktionen der Schilddrüse und die komplizierte Anatomie der Schilddrüse können jedoch zu verschiedenen chirurgischen Komplikationen führen. Mixed Reality (MR), eine holografische Echtzeit-Visualisierungstechnologie, ermöglicht die Erstellung hochrealistischer 3D-Modelle in der realen Welt und ermöglicht mehrere Mensch-Computer-Interaktionen. Die MR kann sowohl für die präoperative Bewertung als auch für die intraoperative Navigation eingesetzt werden. Zunächst wird eine halbautomatische 3D-Rekonstruktion des Halses aus erweiterten Computertomographie-Bildern mit dem 3Dslicer durchgeführt. Als Nächstes wird das 3D-Modell in Unity3D importiert, um ein virtuelles Hologramm zu erstellen, das auf einem MR-Helmdisplay (HMD) angezeigt werden kann. Während der Operation können Chirurgen das MR HMD tragen, um Läsionen und die umgebende Anatomie durch das virtuelle Hologramm zu lokalisieren. In dieser Studie wurden Patienten, die eine radikale ET benötigten, nach dem Zufallsprinzip entweder der Versuchsgruppe oder der Kontrollgruppe zugeteilt. Die Chirurgen führten in der Versuchsgruppe eine MRT-assistierte radikale ET durch. Es wurde eine vergleichende Analyse der chirurgischen Ergebnisse und der Ergebnisse von Skalen durchgeführt. In dieser Studie wurden das 3D-Modell des Halses und das virtuelle Hologramm erfolgreich entwickelt. Gemäß der NASA Task Load Index Scale wies die Versuchsgruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant höhere Werte in der "Eigenen Leistung" und niedrigere Werte in der "Anstrengung" auf (p = 0,002). Darüber hinaus lagen die Mittelwerte aller Fragen auf der Likert-Skala für subjektive Bewertungen über 3. Obwohl die Inzidenz von chirurgischen Komplikationen in der Versuchsgruppe geringer war als in der Kontrollgruppe, waren die Unterschiede in den chirurgischen Ergebnissen statistisch nicht significant.MR für die Leistungssteigerung und die Entlastung der Chirurgen während der perioperativen Phase von Vorteil ist. Darüber hinaus hat MR das Potenzial gezeigt, die Sicherheit von ET zu erhöhen. Daher ist es unerlässlich, die chirurgischen Anwendungen der MRT weiter zu untersuchen.

Einleitung

In den letzten zehn Jahren ist die weltweite Inzidenz von Schilddrüsenknoten auf 29,29 % gestiegen, was einem Anstieg von 7,76 % im Vergleich zum vorangegangenen Jahrzehnt entspricht. Dieser Trend positioniert Schilddrüsenknoten als eine der häufigsten Erkrankungen¹. Gleichzeitig hat die Inzidenz von Schilddrüsenkrebs 20/100.000 erreicht, womit sie an siebter Stelle unter allen Krebsarten und an dritter Stelle bei Frauen liegt. Die radikale Chirurgie bleibt der bevorzugte Behandlungsansatz².

Die Thyreoidektomie kann in offene, endoskopische und robotergestützte Operationen eingeteilt werden. Die endoskopische Thyreoidektomie (ET) ist eine Form der kosmetischen Chirurgie, bei der die Länge endoskopischer Instrumente verwendet wird, um subkutane Tunnel durch Schnitte im Warzenhof, in der Achselhöhle, in der Mundhöhle und in anderen verborgenen Bereichen zu schaffen, wodurch ein narbenfreies Aussehen am Hals ermöglicht wird. Dieser Ansatz ist besonders attraktiv für Frauen, die die Mehrheit der Schilddrüsenkrebspatienten ausmachen³. Aus chirurgischer Sicht muss die ET jedoch noch weiter optimiert werden. Erstens wird die ET durch den begrenzten Operationsraum und das Fehlen von taktilem Feedback herausgefordert, was die Operation erschwert und zu einer verlängerten Lernkurve beiträgt⁴. Zweitens besitzt die Schilddrüse besondere physiologische Funktionen und eine komplexe lokale Anatomie, was die ET anfällig für schwerwiegende Komplikationen wie Hypoparathyreoidismus und rezidivierende Verletzungen des Nervus laryngeus (RLN) macht⁵. Darüber hinaus geht Schilddrüsenkrebs häufig mit okkulten lymphatischen Metastasen einher, und eine unvollständige zervikale Lymphknotendissektion kann das Risiko eines postoperativen lymphatischen Rezidivs weiter erhöhen⁶, was bei einigen Patienten zu sekundären oder sogar mehrfachen Operationen führt.

Künstliche Intelligenz (KI) ist ein aufstrebendes Gebiet, das darauf abzielt, die menschliche Intelligenz durch Computeralgorithmen zu simulieren und zu verbessern. Extended Reality (XR) ist eine Kategorie von KI-Techniken, die hochrealistische audiovisuelle Informationen in Echtzeit liefern können und sich besonders für chirurgische Anwendungen eignen⁷. Mixed Reality (MR), eine Teilmenge von XR, integriert virtuelle Hologramme mit realen Entitäten und ermöglicht es Benutzern, nahtlos zwischen Realität und virtuellen Umgebungen zu interagieren⁸. Die dreidimensionale (3D) Rekonstruktion ist eine computergrafische Technik, die zweidimensionale (2D) Bilder, die aus Pixeln bestehen, in 3D-Modelle umwandelt, die aus Voxeln bestehen. Die Präsentation von 3D-Modellen ist von entscheidender Bedeutung, und die primäre Anwendung der MRT in der Chirurgie besteht darin, 3D-Modelle anzuzeigen, die aus tomographischen Bildern erstellt wurden, wie z. B. Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT).

In dieser Studie wurde MR zur Unterstützung der radikalen ET eingesetzt, mit dem Ziel, ihre Wirksamkeit und Sicherheit zu verbessern und gleichzeitig die chirurgische Komplexität zu reduzieren. Patienten, bei denen Schilddrüsenkrebs diagnostiziert wurde und die spezifizierten Ein- und Ausschlusskriterien erfüllten, wurden nach dem Zufallsprinzip entweder der Versuchsgruppe oder der Kontrollgruppe zugeteilt. Diejenigen in der Versuchsgruppe unterzogen sich einer MRT-gestützten radikalen ET. Es wurde eine vergleichende Analyse der chirurgischen Ergebnisse zwischen den beiden Gruppen durchgeführt. Darüber hinaus wurden die National Aeronautics and Space Administration Task Load Index Scale (NASA-TLX) und die Likert Subjective Rating Scale verwendet, um die Auswirkungen der MRT-gestützten ET auf die Chirurgen zu bewerten. NASA-TLX gilt als Goldstandard für die subjektive Auslastungsbewertung und umfasst sechs Dimensionen: mentale Anforderung (MD), körperliche Anforderung (PD), zeitliche Anforderung (TF), eigene Leistung (OP), Anstrengung (EF) und Frustration (FR)⁹. Jede Dimension wird unabhängig voneinander auf einer Skala von 0 bis 100 bewertet. Die subjektive Bewertungsskala von Likert umfasst eine Reihe von Fragen mit fünf Antwortstufen, die von sehr zufrieden (5 Punkte) bis sehr unzufrieden (1 Punkt) reichen, wobei die mittleren Stufen erfüllt (4 Punkte), akzeptabel (3 Punkte) und unzufrieden (2 Punkte) sind.

Protokoll

Das Protokoll folgt den Richtlinien der Ethikkommission für Humanforschung der Sun Yat-Sen Universität. Es ist keine spezielle Ethikgenehmigung erforderlich, da diese Behandlung in der klinischen Routineversorgung durchgeführt wurde.

1. 3D Rekonstruktion

1. Importieren Sie DICOM-Daten aus halsverstärkten CT-Scans in den 3DSlicer¹⁰ mit einer Fensterbreite von 350 Hounsfield-Einheiten (HU) und einer Fensterebene von 40 HE.
2. Segmentieren und rekonstruieren Sie das 3D-Modell des Halses mit einem halbautomatischen Ansatz.
   1. Segmentieren und rekonstruieren Sie die Haut mit den Funktionen "Schwellenwert " und "Hohl". Erstellen Sie zunächst mit der Funktion Schwellenwert eine Segmentierung für CT-Werte größer -250 HU. Verwenden Sie dann die Funktion Hollow , um das Innere dieser Segmentierung zu entfernen.
   2. Segmentieren und rekonstruieren Sie die Schilddrüse, die Läsion, die Luftröhre und die Speiseröhre mit der Funktion "Aus Samen wachsen " auf der Grundlage von Bildern der arteriellen oder venösen Phase. Manuelle Abgrenzung von Seeds innerhalb der Zielstrukturen in Querschnitts-, Sagittal- und Koronabildern. Generieren Sie anschließend automatisch die Zielsegmentierung mit der Funktion Aus Seeds wachsen .
   3. Segmentieren und rekonstruieren Sie den Knochen mit der Schwellenwert-Funktion auf der Grundlage einfacher Scanbilder. Legen Sie diese Segmentierung für CT-Werte über 200 HU an.
   4. Segmentieren und rekonstruieren Sie Arterien mit der Funktion Lokaler Schwellenwert auf der Grundlage von Bildern der arteriellen Phase. Markieren Sie die Samen innerhalb der Arterien in den koronalen Bildern manuell. Erstellen Sie anschließend mithilfe der Funktion Lokaler Schwellenwert eine Segmentierung mit einem CT-Wertebereich, der mit den Ausgangswerten konsistent ist, und wiederholen Sie den Vorgang, um die Segmentierung schrittweise zu erweitern.
   5. Segmentieren und rekonstruieren Sie Venen mit der Funktion Lokaler Schwellenwert auf der Grundlage von Bildern der venösen Phase. Verwenden Sie die spezifischen Vorgänge, die mit den im vorherigen Schritt beschriebenen identisch sind.
3. Rekonstruieren Sie das 3D-Modell des Halses automatisch mit Volumen-Rendering.
   1. Wählen Sie entweder Bilder aus der arteriellen Phase oder Bilder aus der venösen Phase im Volumen-Rendering-Modul aus.
   2. Entscheiden Sie sich für ein optimales automatisches Rekonstruktionsprotokoll, in der Regel das koronare erweiterte CT-Rekonstruktionsprotokoll, wobei der Schwerpunkt auf der Visualisierung der oberen und unteren Schilddrüsengefäße liegt.
   3. Minimieren Sie unnötige Rekonstruktionen, indem Sie den interessierenden Bereich präzise anpassen.

2. Konstruktion des virtuellen Hologramms des Halses

1. Exportieren Sie das halbautomatisch rekonstruierte 3D-Modell des Halses aus dem 3DSlicer als OBJ-Datei.
2. Erstellen Sie ein neues Projekt in Unity3D mithilfe des Mixed Reality Toolkit (MRTK), und konfigurieren Sie die erforderlichen Komponenten.
   1. Fügen Sie einen Kontrollrahmen hinzu, indem Sie die Box-Collider-Komponente verwenden.
   2. Implementieren Sie einen verschiebbaren Cursor mit der Komponente Cursor Context Object Manipulator .
   3. Fügen Sie Bewegungs-, Skalierungs- und Rotationsfunktionen über die Komponenten Objektmanipulator, Nahinteraktion Greifbar und Min . Max. Skalierungsbeschränkung hinzu.
   4. Aktivieren Sie die Transparenzsteuerung, indem Sie die Komponente Schieberegler für den Transparenz-Controller verwenden.
3. Importieren Sie die OBJ-Datei in das Projekt und verknüpfen Sie die oben genannten Komponenten mit dem 3D-Modell des Halses.
4. Debuggen Sie das virtuelle Hologramm des Halses auf dem MR-Head-Mounted Device (HMD) mithilfe des Holographic Remoting-Programms , gefolgt vom Verpacken und Exportieren des Projekts aus Unity3D¹¹.
5. Installieren Sie das virtuelle Hologramm des Halses mithilfe des Visual Studio-Programms auf dem MR HMD.

3. Manipulation des MRT-Geräts

1. Tragen Sie das MR HMD vor der Operation oder lassen Sie sich von zirkulierenden Krankenschwestern beim Tragen des HMD während der Operation unterstützen.
2. Verwenden Sie MR HMD, um die virtuellen Hologramme des Halses zu bearbeiten.
   1. Steuern Sie die Bewegung, Skalierung und Drehung des virtuellen Hologramms des Halses mit einer Greifgeste .
   2. Passen Sie die Transparenz des virtuellen Hologramms des Halses an, indem Sie den entsprechenden virtuellen Schieberegler ziehen.
   3. Richten Sie das virtuelle Hologramm des Halses an der Position des Patienten aus und stellen Sie sicher, dass anatomische Marker wie Unterkiefer und Schlüsselbein korrekt ausgerichtet sind.
3. Importieren Sie klinische Daten wie Hals-CT-Bilder, Ultraschall und Laboruntersuchungsergebnisse in das MR-HMD, um jederzeit während der Operation auf diese Informationen zugreifen zu können.
4. Steuern Sie das HMD, um MRT-Bilder und -Videos über Sprachbefehle aufzunehmen.
5. Teilen Sie die Ich-Perspektive über das MR HMD über eine Wi-Fi-Verbindung.

4. Präoperatives Stadium

1. Einschlusskriterien
   1. Eingeschlossen sind Patienten mit papillärem Schilddrüsenkarzinom (PTC) mit einem maximalen Durchmesser ≤ 3 cm.
   2. Beziehen Sie Patienten mit ein, die ein Bedürfnis nach Schönheit äußern.
2. Ausschlusskriterien
   1. Patienten ausschließen, die eine Operation oder Vollnarkose nicht vertragen.
   2. Patienten mit extrathyreoter Invasion oder Fernmetastasierung von PTC sind ausgeschlossen.
   3. Schließen Sie Patienten mit einer Vorgeschichte von Schilddrüsenoperationen, Ablationen oder Behandlungen mit radioaktivem Jod aus.
   4. Patienten mit Deformitäten des Brustkorbs oder des Schlüsselbeins sind ausgeschlossen.
   5. Patienten mit Hypoparathyreoidismus oder Stimmbanddysfunktion sind auszuschließen.
3. Hilfsuntersuchung
   1. Führen Sie eine halsverstärkte CT und Ultraschalluntersuchung durch, um das PTC und die umgebende Anatomie zu beurteilen.
   2. Führen Sie Röntgenaufnahmen des Brustkorbs, ein Elektrokardiogramm, ein vollständiges Blutbild, Leber- und Nierenfunktionstests sowie Gerinnungstests durch, um absolute chirurgische Kontraindikationen auszuschließen.
   3. Führen Sie Schilddrüsen- und Nebenschilddrüsenfunktionstests sowie den Thyreoglobulinspiegel durch.
   4. Führen Sie eine faseroptische Laryngoskopie durch, um die Stimmbandfunktion zu beurteilen.
4. Präoperative Vorbereitung
   1. Schnelle Patienten für 10 h und intravenöse Glukosekochsalzlösung oder Ringer-Lösung verabreichen.
   2. Verabreichen Sie Midazolam, Propofol, Sufentanil und Atracurium intravenös, um eine Vollnarkose einzuleiten, gefolgt von einer transoralen trachealen Intubation. Vermeiden Sie die Verwendung von Muskelrelaxantien während der Erhaltungsphase der Anästhesie.
   3. Führen Sie eine Harnröhrenkatheterisierung durch.
   4. Schließen Sie das intraoperative Neuromonitoring (IONM) Gerät an.
   5. Positionieren Sie den Patienten in einer Konfiguration mit geteilten Beinen und strecken Sie den Hals, indem Sie den Kopf nach hinten neigen. Positionieren Sie das Endoskopsystem an der Vorderseite des Kopfes des Patienten.

5. Chirurgischer Eingriff (Brustzugang)

1. Desinfizieren Sie das Operationsfeld, legen Sie die aseptischen OP-Tücher aus und schließen Sie Endoskop, Elektrokoagulationshaken, Absaugeinheit und Ultraschallmesser an.
2. Identifizieren Sie das Beobachtungsloch, das sich 2 cm rechts vom Mittelpunkt der Linie befindet, die die bilateralen Brustwarzen verbindet. Injektion der Expansionsflüssigkeit subkutan und Präparierung mit einem Strippstab.
3. Platzieren Sie einen 10-mm-Trokar und führen Sie Kohlendioxid ein, um einen Betriebsraum mit einem Innendruck von weniger als 6 mmHg zu schaffen.
4. Nutzen Sie den oberen Rand beider Warzenhöfe als Operationskanal. Präparieren Sie die subkutanen Hohlräume beidseitig mit zwei 5 mm oder 10 mm Trokarnadeln unter 30° laparoskopischer Visualisierung. Führen Sie das Ultraschallmesser und die schäbige Pinzette ein und verlängern Sie den subkutanen Raum zur Vorderseite des Halses.
5. Trennen Sie die weiße Linie des Gebärmutterhalses, um die Schilddrüse zu befreien. Hängen Sie die Bandmuskulatur mit Nähten auf, um das Sichtfeld zu erweitern.
6. Injizieren Sie Kohlenstoff-Nanopartikel in die Schilddrüse, um sie und die zervikalen Lymphknoten zu färben.
7. Trennen Sie den Isthmus der Schilddrüse, um die Luftröhre freizulegen und das Aufhängeband der Schilddrüse zu lösen.
8. Verwenden Sie das Ultraschallmesser, um die obere Schilddrüsenarterie und -vene, die untere Schilddrüsenarterie und die mittlere Schilddrüsenvene zu koagulieren. Sichern Sie die größeren Blutgefäße mit resorbierbaren Klammern.
9. Führen Sie eine Autotransplantation von PGs in den homolateralen Musculus sternocleidomastoideus durch, wenn der PG entfernt oder seine Blutversorgung zerstört wird.
10. Identifizieren Sie das RLN und den Nervus laryngeus superior mit der IONM-Sonde. Schützen Sie die Nerven mit feuchter Gaze, um thermische Verletzungen zu vermeiden.
11. Trennen und entfernen Sie die läsionale Schilddrüse vorsichtig und stellen Sie sicher, dass sie mit einem Probenbeutel vollständig entnommen wird.
12. Führen Sie eine homolaterale Lymphadenektomie im zervikalen Zentralbereich durch. Falls angezeigt, fahren Sie mit der kontralateralen Thyreoidektomie und der Lymphadenektomie fort.
13. Stellen Sie sicher, dass alle Blutungen gründlich kontrolliert werden, und spülen Sie das Operationsfeld mit sterilem destilliertem Wasser ab. Führen Sie einen Drainageschlauch in den Operationskanal ein und vernähen Sie den Schnitt Schicht für Schicht.

6. Postoperatives Management

1. Bieten Sie Elektrokardiogramm-Überwachung und Sauerstofftherapie an, wenn die Patienten auf die Station zurückkehren. Verabreichen Sie anschließend Behandlungen, die Flüssigkeitsersatz, intravenöses Kalzium, Schmerzlinderung, Inhalationstherapie und Schleimentfernung umfassen. Verabreichen Sie bei Bedarf hämostatische Medikamente und leiten Sie eine Physiotherapie ein.
2. Brechen Sie am ersten postoperativen Tag die Elektrokardiogramm-Überwachung und die Sauerstofftherapie ab und entfernen Sie den Harnkatheter. Die Patienten können wieder eine vollständige Diät einnehmen und tägliche orale Dosen von Levothyroxin und Kalzium einnehmen.
3. Entfernen Sie am zweiten oder dritten postoperativen Tag den Drainageschlauch und bereiten Sie sich auf die Entlassung des Patienten vor.
4. Weisen Sie den Patienten an, die Ambulanz zur Nachsorge in der ersten Woche nach der Operation sowie 1 Monat, 3 Monate, 6 Monate und 12 Monate nach der Operation aufzusuchen. Überprüfen Sie routinemäßig die Schilddrüsenfunktion und den Thyreoglobulinspiegel und führen Sie eine Ultraschalluntersuchung des Halses durch.

Ergebnisse

In dieser Studie wurde das Hals-3D-Modell von Patienten mit PTC erfolgreich konstruiert (Abbildung 1) und es wurden 14 Fälle von MRT-gestützter radikaler ET durchgeführt (Abbildung 2).

Insgesamt wurden 32 ETs von einem leitenden Chirurgen durchgeführt, der nach den Operationen die NASA-TLX und die Likert Subjective Rating Scale (Tabelle 1 und Tabelle 2) absolviert...

Diskussion

MR ist eine hochmoderne KI-Technologie, die auf verschiedenen algorithmischen Modellen und Sensoren basiert. Der Zweck dieses Protokolls besteht darin, MR zur Unterstützung der radikalen ET zu nutzen. Darüber hinaus ist das Schlüsselverfahren die Konstruktion des 3D-Modells des Halses und des virtuellen Hologramms. Subjektive Skalen zeigen positive Ergebnisse an und zeigen, dass MR für Chirurgen von Vorteil ist, um radikale ET mit Leichtigkeit durchzuführen. Darüber hinaus bietet d...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
3DSlicer	Slicer		https://www.slicer.org/
HoloLens2	Microsoft		a type of mixed reality helmet mounted display https://www.microsoft.com/en-us/hololens/hardware#document-experiences