Радикальная эндоскопическая тиреоидэктомия с помощью смешанной реальности

Резюме

Радикальная эндоскопическая тиреоидэктомия связана с различными хирургическими осложнениями. В этом исследовании используются методы смешанной реальности, чтобы помочь хирургам в выполнении радикальной эндоскопической тиреоидэктомии с целью повышения ее безопасности и снижения хирургического порога.

Аннотация

Радикальная эндоскопическая тиреоидэктомия (ЭТ) обеспечивает превосходные косметические результаты и улучшенную видимость операционного поля по сравнению с открытой хирургией. Тем не менее, уникальные физиологические функции щитовидной железы и сложная окружающая анатомия могут привести к различным хирургическим осложнениям. Смешанная реальность (MR), технология голографической визуализации в реальном времени, позволяет создавать высокореалистичные 3D-модели в реальном мире и облегчает многочисленные взаимодействия человека и компьютера. МРТ может использоваться как для предоперационной оценки, так и для интраоперационной навигации. Сначала выполняется полуавтоматическая 3D-реконструкция шеи по изображениям расширенной компьютерной томографии с помощью 3Dslexer. Затем 3D-модель импортируется в Unity3D для создания виртуальной голограммы, которую можно отобразить на шлемовом дисплее MR (HMD). Во время операции хирурги могут носить MR HMD для определения местоположения поражений и окружающей анатомии с помощью виртуальной голограммы. В этом исследовании пациенты, нуждающиеся в радикальной ЭТ, были случайным образом распределены либо в экспериментальную группу, либо в контрольную группу. Хирурги выполняли МРТ-ассистированную радикальную ЭТ в экспериментальной группе. Проведен сравнительный анализ хирургических исходов и результатов шкалирования. В рамках этого исследования была успешно разработана 3D-модель шеи и виртуальная голограмма. Согласно шкале индекса рабочей нагрузки NASA, экспериментальная группа продемонстрировала значительно более высокие баллы в «Собственной производительности» и более низкие баллы в «Усилиях» по сравнению с контрольной группой (p = 0,002). Кроме того, по шкале субъективной оценки Лайкерта средние баллы по всем вопросам превысили 3. Несмотря на то, что частота хирургических осложнений была ниже в экспериментальной группе, чем в контрольной группе, различия в хирургических исходах статистически не были significant.MR это полезно для повышения производительности и облегчения бремени хирургов в периоперационном периоде. Кроме того, МР продемонстрировала потенциал для повышения безопасности ЭТ. Поэтому крайне важно продолжить изучение хирургического применения МРТ.

Введение

За последнее десятилетие глобальная заболеваемость узлами щитовидной железы выросла до 29,29%, что отражает рост на 7,76% по сравнению с предыдущим десятилетием. Эта тенденция делает узлы щитовидной железы одним из наиболее распространенных заболеваний¹. В то же время заболеваемость раком щитовидной железы достигла 20 на 100 000, что ставит его на седьмое место среди всех видов рака и третье среди женщин. Радикальная хирургия остается предпочтительным подходом к лечению².

Тиреоидэктомия может быть подразделена на открытую, эндоскопическую и роботизированную хирургию. Эндоскопическая тиреоидэктомия (ЭТ) — это форма косметической хирургии, при которой длина эндоскопических инструментов используется для создания подкожных туннелей через разрезы, сделанные в ареоле, подмышечной впадине, полости рта и других скрытых областях, тем самым способствуя появлению без шрамов на шее. Такой подход особенно привлекателен для женщин, которые составляют большинство пациентов с раком щитовидной железы³. Тем не менее, ЭТ все еще требует дальнейшей оптимизации с хирургической точки зрения. Во-первых, ЭТ осложняется ограниченным хирургическим пространством и отсутствием тактильной обратной связи, что усложняет операцию и способствует длительной кривой обучения⁴. Во-вторых, щитовидная железа обладает особыми физиологическими функциями и сложной местной анатомией, что делает ЭТ восприимчивой к серьезным осложнениям, таким как гипопаратиреоз и рецидивирующее повреждение гортанного нерва (РЛН^). Кроме того, рак щитовидной железы часто проявляется скрытыми лимфатическими метастазами, а неполная диссекция шейных лимфатических узлов может еще больше повысить риск послеоперационного лимфатического^{рецидива,} что приводит к необходимости вторичных или даже множественных операций у некоторых пациентов.

Искусственный интеллект (ИИ) — это новая область, которая стремится смоделировать и улучшить человеческий интеллект с помощью компьютерных алгоритмов. Расширенная реальность (XR) — это категория методов искусственного интеллекта, которые могут доставлять высокореалистичную аудиовизуальную информацию в режиме реального времени, особенно подходящую для хирургических^{применений}. Смешанная реальность (MR), подмножество XR, интегрирует виртуальные голограммы с реальными объектами, позволяя пользователям беспрепятственно взаимодействовать между реальностью и виртуальной средой⁸. Трехмерная (3D) реконструкция — это метод компьютерной графики, который преобразует двухмерные (2D) изображения, состоящие из пикселей, в 3D-модели, состоящие из вокселей. Представление 3D-моделей имеет решающее значение, и основное применение МРТ в хирургии включает отображение 3D-моделей, построенных на основе томографических изображений, таких как компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ).

В этом исследовании МРТ использовалась для помощи при радикальной ЭТ с целью повышения ее эффективности и безопасности при одновременном снижении хирургической сложности. Пациенты с диагнозом рак щитовидной железы, которые соответствовали определенным критериям включения и исключения, были случайным образом распределены либо в экспериментальную группу, либо в контрольную группу. В экспериментальной группе проводилась МРТ-ассистированная радикальная ЭТ. Проведен сравнительный анализ результатов хирургического вмешательства между двумя группами. Кроме того, для оценки влияния МРТ-ассистированной ЭТ на хирургов были использованы Шкала индекса рабочей нагрузки Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA-TLX) и Шкала субъективной оценки Лайкерта. NASA-TLX признан золотым стандартом субъективной оценки рабочей нагрузки и включает в себя шесть измерений: умственная потребность (MD), физическая потребность (PD), временная потребность (TF), собственная производительность (OP), усилие (EF) и фрустрация (FR)⁹. Каждый параметр оценивается независимо по шкале от 0 до 100. Шкала субъективной оценки Лайкерта включает в себя серию вопросов с пятью уровнями ответа, варьирующимися от очень удовлетворенных (5 баллов) до очень недовольных (1 балл), при этом промежуточные уровни — удовлетворенность (4 балла), приемлемость (3 балла) и неудовлетворенность (2 балла).

протокол

Протокол соответствует руководящим принципам комитета по этике исследований человека Университета Сунь Ятсена. Никакого специального этического одобрения не требуется, поскольку это лечение проводилось в рамках обычной клинической помощи.

1. 3D реконструкции

1. Импортируйте данные DICOM из компьютерной томографии с улучшенной шеей в 3DSlicer¹⁰, используя ширину окна 350 единиц Хаунсфилда (HU) и уровень окна 40 HU.
2. Сегментация и реконструкция 3D-модели горловины с использованием полуавтоматического подхода.
   1. Сегментируйте и реконструируйте скин с помощью функций «Порог » и « Полый ». Сначала создайте сегментацию для значений CT больше -250 HU с помощью функции Threshold . Затем используйте функцию « Пустота », чтобы удалить внутреннюю часть этой сегментации.
   2. Сегментируйте и реконструируйте щитовидную железу, поражения, трахею и пищевод с помощью функции «Вырастить из семян » на основе изображений артериальной или венозной фазы. Вручную разграничьте зародыши в целевых структурах на изображениях поперечного сечения, сагиттала и короны. После этого автоматически сгенерируйте целевую сегментацию с помощью функции «Вырастить из семян ».
   3. Сегментируйте и реконструируйте кость с помощью функции Threshold на основе простых сканируемых изображений. Создайте эту сегментацию для значений CT, превышающих 200 HU.
   4. Сегментируйте и реконструируйте артерии с помощью функции «Локальный порог » на основе изображений артериальной фазы. Вручную разграничьте зерна в артериях на корональных изображениях. Затем создайте сегментацию с диапазоном значений CT, соответствующим начальным значениям, с помощью функции Local threshold и повторите процедуру для постепенного расширения сегментации.
   5. Сегментация и реконструкция вен с помощью функции «Локальный порог » на основе изображений венозной фазы. Используйте конкретные операции, идентичные описанным на предыдущем шаге.
3. Автоматическая реконструкция 3D-модели горловины с помощью объемного рендеринга.
   1. Выберите изображения артериальной фазы или изображения венозной фазы в модуле объемной визуализации.
   2. Выберите оптимальный протокол автоматической реконструкции, как правило, протокол коронарной КТ с акцентом на визуализацию верхних и нижних сосудов щитовидной железы.
   3. Сведите к минимуму ненужную реконструкцию за счет точной настройки области интереса.

2. Построение виртуальной голограммы грифа

1. Экспортируйте полуавтоматическую 3D-модель горловины из 3DSlicer в виде файла OBJ.
2. Создайте новый проект в Unity3D с помощью Mixed Reality Toolkit (MRTK) и настройте необходимые компоненты.
   1. Добавьте управляющую границу с помощью компонента Box collider .
   2. Реализуйте перемещаемый курсор с помощью компонента Cursor Context Object Manipulator .
   3. Добавьте функции перемещения, масштабирования и поворота с помощью компонентов «Манипулятор объектов», «Захват при близком взаимодействии» и « Ограничение минимального максимального масштаба ».
   4. Включите управление прозрачностью с помощью компонента Slider Transparency Controller .
3. Импортируйте файл OBJ в проект и свяжите вышеупомянутые компоненты с 3D-моделью шеи.
4. Отладка виртуальной голограммы шеи на головном устройстве MR (HMD) с помощью программы Holographic Remoting , а затем упаковка и экспорт проекта из Unity3D¹¹.
5. Установите виртуальную голограмму шеи на шлем MR с помощью программы Visual Studio .

3. Манипуляции с аппаратом МРТ

1. Носите MR HMD перед операцией или попросите циркулирующих медсестер помочь в ношении шлема во время операции.
2. Используйте MR HMD для манипулирования виртуальными голограммами шеи.
   1. Управляйте движением, масштабированием и вращением виртуальной голограммы шеи с помощью жеста «Захват ».
   2. Отрегулируйте прозрачность виртуальной голограммы шеи, перетащив соответствующий виртуальный ползунок.
   3. Выровняйте виртуальную голограмму шеи по положению пациента, обеспечив правильное выравнивание анатомических маркеров, таких как нижняя челюсть и ключица.
3. Импортируйте клинические данные, такие как снимки компьютерной томографии шеи, результаты ультразвукового исследования и лабораторных исследований, в MR HMD, чтобы получить доступ к этой информации в любое время во время операции.
4. Управляйте шлемом для захвата изображений и видео MR с помощью голосовых команд.
5. Делитесь видом от первого лица через MR HMD через Wi-Fi.

4. Предоперационный этап

1. Критерии включения
   1. Включают пациентов с папиллярной карциномой щитовидной железы (ПТК) с максимальным диаметром ≤ 3 см.
   2. Включите пациентов, которые выражают потребность в красоте.
2. Критерии исключения
   1. Исключите пациентов, которые не переносят хирургическое вмешательство или общий наркоз.
   2. Исключите пациентов с экстратиреоидной инвазией или отдаленным метастазированием ПТК.
   3. Исключите пациентов с операцией на щитовидной железе в анамнезе, абляцией или лечением радиоактивным йодом.
   4. Исключите пациентов с деформациями грудной клетки или ключицы.
   5. Исключите пациентов с гипопаратиреозом или дисфункцией голосовых связок.
3. Вспомогательный осмотр
   1. Проведите КТ и ультразвуковое исследование шеи для оценки ПТК и окружающей его анатомии.
   2. Проведите рентгенографию грудной клетки, электрокардиограмму, общий анализ крови, функциональные пробы печени и почек, а также коагуляционные тесты для исключения абсолютных хирургических противопоказаний.
   3. Проведите тесты функции щитовидной железы и паращитовидных желез, а также уровень тиреоглобулина.
   4. Проведите фиброоптическую ларингоскопию для оценки функции голосовых связок.
4. Предоперационная подготовка
   1. Пациенты голодают в течение 10 ч и вводят внутривенно глюкозный раствор или раствор Рингера.
   2. Внутривенно вводите мидазолам, пропофол, суфентанил и атракурий для индукции общей анестезии с последующей трансоральной интубацией трахеи. Избегайте использования миорелаксантов во время поддерживающей фазы анестезии.
   3. Провести катетеризацию уретры.
   4. Подключите устройство для интраоперационного нейромониторинга (ИОНМ).
   5. Расположите пациента в конфигурации с разделенными ногами и вытяните шею, запрокинув голову назад. Расположите систему эндоскопа в передней части головы пациента.

5. Хирургическое вмешательство (доступ к груди)

1. Продезинфицируйте операционное поле, постелите асептические операционные полотенца и подключите эндоскоп, электрокоагуляционный крючок, аспиратор и ультразвуковой нож.
2. Определите смотровое отверстие, расположенное в 2 см справа от средней точки линии, соединяющей двусторонние ниппели. Введите расширяющую жидкость подкожно и рассеките с помощью стержня для снятия изоляции.
3. Установите троакар диаметром 10 мм и введите углекислый газ, чтобы создать рабочее пространство с внутренним давлением, поддерживающим менее 6 мм рт.ст.
4. Используйте верхний край обеих ареол в качестве рабочего канала. Рассеките подкожные полости с обеих сторон двумя иглами троакара 5 мм или 10 мм под углом 30° лапароскопической визуализации. Введите ультразвуковой нож и щипцы без чешуи и растяните подкожное пространство по направлению к передней части шеи.
5. Отделите шейную белую линию, чтобы освободить щитовидную железу. Подвешивайте мышцы ленты с помощью швов, чтобы расширить поле зрения.
6. Вводите наночастицы углерода в щитовидную железу, чтобы окрашивать ее и шейные лимфатические узлы.
7. Отсоедините перешеек щитовидной железы, чтобы обнажить трахею и отделить подвешивающую связку щитовидной железы.
8. Используйте ультразвуковой нож для коагуляции верхней щитовидной артерии и вены, нижней щитовидной артерии и средней щитовидной вены. Зафиксируйте крупные кровеносные сосуды рассасывающимися зажимами.
9. Проводят аутотрансплантацию ПГ в гомолатеральную грудино-ключично-сосцевидную мышцу в случае удаления ПГ или нарушения ее кровоснабжения.
10. Определите RLN и верхний гортанный нерв с помощью зонда IONM. Защитите нервы влажной марлей, чтобы предотвратить термическую травму.
11. Тщательно отделите и иссеките пораженную щитовидную железу, обеспечив ее полное извлечение с помощью мешка для образцов.
12. Проводят гомолатеральную лимфаденальную эктомию в центральной области шейного отдела. При наличии показаний следует провести контралатеральную тиреоидэктомию и лимфаденэктомию.
13. Убедитесь, что все кровотечения тщательно контролируются, и промойте операционное поле стерильной дистиллированной водой. Вставьте дренажную трубку в операционный канал и зашите разрез слой за слоем.

6. Послеоперационное ведение

1. Обеспечьте мониторинг электрокардиограммы и кислородную терапию по мере возвращения пациентов в палату. Затем проводится лечение, которое включает в себя замену жидкости, внутривенное введение кальция, обезболивание, ингаляционную лекарственную терапию и очищение мокроты. При необходимости ввести кровоостанавливающие препараты и начать физиотерапию.
2. В первые сутки после операции прекратить мониторинг электрокардиограммы и оксигенотерапию и удалить мочевой катетер. Пациенты могут вернуться к полноценному питанию и ежедневно принимать пероральные дозы левотироксина и кальция.
3. На вторые или третьи послеоперационные сутки удалите дренажную трубку и подготовьтесь к выписке пациента.
4. Предпишите пациенту посетить амбулаторное отделение для наблюдения в течение первой недели после операции, а также через 1 месяц, 3 месяца, 6 месяцев и 12 месяцев после операции. Регулярно проверяйте функцию щитовидной железы и уровень тиреоглобулина, а также выполняйте ультразвуковое исследование шеи.

Результаты

В этом исследовании была успешно построена 3D-модель шеи пациентов с ПТК (Рисунок 1) и выполнено 14 случаев МР-ассистированной радикальной ЭТ (Рисунок 2).

В общей сложности 32 ЭТ были выполнены старшим хирургом, который после ?...

Обсуждение

MR — это передовая технология искусственного интеллекта, основанная на различных алгоритмических моделях и сенсорных устройствах. Целью этого протокола является использование МРТ для помощи при радикальной ЭТ. Более того, ключевой процедурой является построение 3D-м...

Материалы

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