Устройство для моделирования стереотаксических нейрохирургических вмешательств

Полезная модель относится к медицине, а именно к нейрохирургии, и может быть использована для оценки точности стереотаксического оборудования (рамных и безрамных систем стереотаксиса, стереотаксических роботов).
Стереотаксические нейрохирургические вмешательства - это операции, в которых требуется высокоточное попадание (наведение) хирургического инструмента в определенные зоны головного мозга с целью лечебного воздействия. Клинический результат данных операций во многом зависит от точности попадания в запланированную целевую мишень. Для выполнения данных вмешательств используется специализированное стереотаксическое оборудование: системы рамного стереотаксиса (к голове пациента жестко фиксируется стереотаксическая рама), системы безрамной нейронавигации (оценка положения инструмента в пространстве осуществляется оптической навигацией), стереотаксические роботизированные системы. Основным требованием, предъявляемым к этому оборудованию, является неизменно высокая степень точности локализации внутричерепных мишеней.
Стереотаксические аппараты имеют свои конструктивные особенности, но любое применение данной техники не обходится без фантомных испытаний, которые должны периодически проходить и подтверждать, что оборудование выполняет свою основную функцию и не выходит за заявленные точностные характеристики. Фантом представляет собой модель, способную имитировать положение целевых мишеней и быть объектом для планирования и проведения стереотаксического наведения [Полонский Ю.З., Холявин А.И. Защита от ошибок измерений при расчетах и фантомном моделировании в стереотаксических операциях с помощью манипуляторов класса ОРЕОЛ // Комплексная защита объектов информатизации и измерительные технологии: сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - СПб: Изд-во Политехнического университета, 2014. - С. 128-131].
Основными характеристиками и требованиями, предъявляемыми к фантомам, являются:
- Возможность визуализации целевых мишеней при сканировании фантома на компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ).
- Антропоморфные свойства фантома.
- Возможность оценки точности наведения на целевую мишень, а также угловой погрешности и погрешности в области входной точки наведения.
- Возможность моделировать кожу, процесс разреза кожи, сверления трефинационного отверстия и прочих хирургических манипуляций.
Существует множество разновидностей фантомов. Так, фантом роботизированной системы Neuromate [Li, Q.Н.; Zamorano, L.; Pandya, A.; Perez, R.; Gong, J.; Diaz, F. The Application Accuracy of the NeuroMate Robot. A Quantitative Comparison with Frameless and Frame-Based Surgical Localization Systems. Comput. AidedSurg. 2002, 7 (2), 90-98] представляет собой модель черепа человека с закрепленными на нем маркерами регистрации. Для определения точности наведения на целевые мишени здесь используется специализированное механическое устройство - трехмерная линейка, позволяющая определять координаты кончика инструмента в пространстве. Мишени в данной системе цифровые, то есть выбираются произвольно в пространстве компьютерного томографа. Для оценки точности производится сравнение координат произвольных мишеней по данным компьютерной томографии и координат нацеленного на данные мишени кончика инструмента. Определение положения инструмента производится мануальным способом, подводя кончик измерительного устройства к кончику инструмента и снимая показания со шкал прибора. Такой способ оценки точности имеет недостатки. Во-первых, здесь нет физических мишеней в фантоме, а цифровые координаты, выбранные в пространстве компьютерного томографа, не отражают реальные мишени в фантоме, так как КТ имеет свои погрешности представления данных. Такой способ определения точности является непрямым. Во-вторых, мануальное определение координат с помощью трехмерной линейки - достаточно трудоемкий и время затратный процесс. В-третьих, фантом - МРТ несовместимый.
Фантом стереотаксической системы CRW [Quinones-Hinojosa, A. Ware, М.L. Sanai, N. McDermott, М.W. Assessment of Image Guided Accuracy in a Skull Model: Comparison of Frameless Stereotaxy Techniques vs. Frame-Based Localization. // J. Neurooncol. - 2006. - Vol. 76 (1). - P. 65-70] является антропоморфным фантомом, выполненным в виде человеческого черепа. В анатомической области, соответствующей скату черепа, размещены три мишени в виде пластиковых наконечников различного диаметра, пропитанных сульфатом меди. Фантом является МРТ-совместимым. Измерительным инструментом наведения здесь является сама стереотаксическая рама CRW. После стереотаксического планирования вмешательства и наведения инструмента на целевую мишень, производится коррекция положения кончика инструмента относительно мишени путем смещения шкал стереотаксической рамы таким образом, чтобы кончик инструмента совпал с целевой мишенью. Разница между фактическими показателями шкал стереотаксической рамы и их значением после совмещения кончика инструмента и целевой мишени и есть погрешность наведения на мишень. Данная методика позволяет оценить погрешность в трех осях. Недостатком данной системы является то, что целевые мишени имеют коническую форму - это затрудняет точную локализацию их на компьютерной томографии и вводит свои погрешности в измерения. Фактически имеется всего три мишени, и методика не позволяет смоделировать произвольное стереотаксическое наведение.
Фантом роботизированной системы MARS [М. Heinig, "Design and Evaluation of the Motor Assisted Robotic Stereotaxy System MARS," Lubeck, 2012] является антропоморфным фантомом, представляющим собой макет человеческого черепа с мишенями в виде конических цилиндров. Особое внимание заслуживает система подсчета точности наведения на целевые мишени. Для оценки точности используются две камеры, закрепленные перпендикулярно к интересующей мишени. Такое расположение камер позволяет бесконтактно получать погрешность наведения в 3-х плоскостях. Недостатком данного решения является то, что каждый раз при измерении погрешности наведения требуется перемещать систему камер к новой мишени, в итоге преимущество бесконтактной оценки точности нивелируется неудобством перемещения системы камер. Методика не позволяет смоделировать произвольное стереотаксическое наведение.
Фантом роботизированной системы ROSA [Lefranc, М., Capel, С., Pruvot, A.S., Fichten, A., Desenclos, С., Toussaint, P., Le Gars, D., Peltier, J. The Impact of the Reference Imaging Modality, Registration Method and Intraoperative Flat-Panel Computed Tomography on the Accuracy of the ROSA Stereotactic Robot. // Stereotact. Funct. Neurosurg. - 2014. - Vol. 92 (4). - P. 242-250] - MPT совместимый, но не являющийся антропоморфным фантомом. В нем мишени выполнены в виде полых трубок различной длины. Наведение производится на кончик трубок в центр отверстия. Недостатком метода является мануальная оценка точности наведения.
Фантом роботизированной системы Pathfinder [Morgan, P.S., Carter, Т., Davis, S., Sepehri, A., Punt, J., Byrne, P., Moody, A., Finlay, P. The Application Accuracy of the Pathfinder Neurosurgical Robot. Int. Congr. Ser. 2003, 1256, 561-567] - не антропоморфный фантом, представляющий из себя съемный цилиндр, имитирующий кожу (к ней же прикрепляются маркеры регистрации), и основание со сферическими мишенями. Мишенью для наведения здесь используется центры сфер. Оценка точности наведения производится с помощью специализированного датчика глубины, использующегося вместо хирургического инструмента. Учитываются показания глубинометра, можно установить координаты центра сферы. Разница между фактическими и расчетными центрами сфер и дает общую точность наведения. Данный способ оценки точности имеет свои недостатки. Для оценки положения центра сферы требуется смещать датчик глубины относительно запланированной траектории и проводить большое количество измерений - это накладывает дополнительную погрешность измерения. Данный способ требует контакт измерительного устройства с мишенью.
По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемому устройству (прототипом) является фантом, использующийся в ИМЧ РАН [Холявин А.И., Низковолос В.Б., Богдан А.А. Оценка качества наведения стереотаксического инструмента на целевую точку мозга при использовании безрамной навигационной системы // Медицинская техника. - 2018. - №2 (308). - С. 16-19]. Он выполнен из термопластика с размерами и конфигурацией, напоминающими голову человека средней величины. Это антропоморфный МРТ совместимый фантом. Фантом имеет крепления к подголовнику операционного стола. В качестве целевых мишеней для наведения в нем используются семь контрастных для компьютерной томографии титановых меток диаметром 2 мм и длиной 2 мм, выполняющих функцию внутримозговых целевых точек. Фантому возможно выполнить компьютерную томографию и магнитно-резонансную томографию. В качестве MPT контрастных мишеней используются шесть капсул с фармпрепаратом на масляной основе с внутренним диаметром, равным 4 мм. Оценка точности наведения на мишень осуществляется мануально с помощью штангенциркуля и набора калиброванных трубок диаметром от 0,8 до 4 мм. Если измерение штангенциркулем невозможно выполнить, то используется калибровочная трубка, а погрешность рассчитывается в зависимости от условий. Если наведенный инструмент упирался кончиком в целевую мишень, имея при этом еще запас хода по направляющей (наведение оказалось глубже, чем сама мишень), то использовалась формула
Δ=|R1-α1|, где R1 - радиус метки, а α1 - расстояние от упора направляющего устройства до ограничителя длины канюли.
Если положение кончина инструмента было в стороне от мишени, то величина ошибки оценивалась по формуле:
Δ=R1+R2+α2, где R1 - радиус метки, R2 - радиус канюли, α2 - зазор между канюлей и меткой.
Таким образом, конструкция фантома позволяет увидеть и с помощью вспомогательных инструментов оценить полученное отклонение кончика инструмента от центра целевой точки.
Недостатками прототипа являются:
1. Форма рентген-контрастных целевых мишеней представляет из себя цилиндр, это создает проблему при локализации мишени на компьютерной томографии: центр мишени (центр объема) трудно локализовать на снимках ввиду не сферической ее формы.
2. Погрешность наведения оценивается мануальным способом, что вносит субъективный фактор (т.к. требуется оценивать положение кончика инструмента по отношению к мишени и выбирать методику расчета погрешности).
3. Погрешность наведения выражена в виде вектора - расстояния между кончиком инструмента и центром мишени. Получение погрешности наведения по трем координатным осям невозможно.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в создании устройства - фантома, способного моделировать целевые мишени и бесконтактно оценивать точность стереотаксического наведения.
Техническим результатом является расширение функциональных (диагностических) и эксплуатационных возможностей устройства прототипа при моделировании стереотаксических нейрохирургических вмешательств.
Фантом состоит из двух соединенных модулей: модуля «голова фантома» со съемной крышкой и модуля стереозрения в виде кронштейна для крепления цифровых камер в стереопаре. Модуль стереозрения является измерительным устройством и позволяет бесконтактно оценивать точность наведения. Модуль «голова фантома» имеет съемные целевые мишени. Дополнительной опцией является использование центральной метки и съемной крышки фантома с отверстиями для определения места положения датчиков (инфракрасных камер) системы нейронавигации в пространстве операционной. Фантом выполнен из ABS пластика методом 3D печати.
Изобретение поясняется рисунками, в котором на фиг. 1…фиг. 5 представлены:
на фиг. 1 изображен общий вид фантома без крышки;
на фиг. 2 изображен вид справа с крышкой;
на фиг. 3 изображен вид на целевые мишени со стороны модуля стереозрения;
на фиг. 4 изображена крышка фантома;
на фиг. 5 изображена съемная целевая мишень.
Совокупность существенных признаков фантома, за счет осуществления которых достигается технический результат:
Модуль «голова фантома» 1 представляет собой шаровой слой (фиг. 1), образованный двумя плоскостями отсечения из полого шара с наружным диаметром 150 мм и толщиной стенки 6 мм. Первая плоскость отсечения 15 располагается со стороны модуля стереозрения 2 таким образом, чтобы все целевые мишени были в поле зрения цифровых камер. Вторая плоскость отсечения 12 формирует съемную крышку фантома 14. При отсоединении крышки (фиг. 1, 4) появляется доступ к целевым мишеням со стороны моделируемого стереотаксического доступа. Модуль «голова фантома» имеет основание с винтовым креплением к операционному столу 3 и винтовыми соединениями кронштейна модуля стереозрения 4 и подставки 5 крышки фантома 14. На внутренней поверхности имеется ребро жесткости 10 с направляющими 7 в виде конусов с отверстием для стержней 18 съемных целевых мишеней 8, а также центральная метка 9 в виде шара диаметром 10 мм, располагающаяся в центре шарового слоя с креплением 13 к основанию. На наружной поверхности модуля располагаются площадки, на которых находятся маркеры 6 для регистрации системой нейронавигации в виде глухих отверстий диаметром 1,5 мм и глубиной 1,5 мм. Так же можно наклеивать на эти площадки оригинальные самоклеющиеся маркеры «Fiducial Markers» совместимые с нейронавигацией.
На поверхности модуля «голова фантома» и крышке имеются отверстия 11 диаметром 10 мм, располагающиеся в сферической системе координат с заданными параметрами азимутального и зенитного углов. Количество отверстий и разница значений между координатами ближайших друг к другу отверстий зависят от требований исследователя: чем меньше разница между координатами ближайших друг к другу отверстий, тем точней можно оценить положение датчиков системы нейронавигации в пространстве операционной способом, описанным ниже. Наибольшее количество отверстий располагается на крышке фантома, которая моделирует свод черепа. Все отверстия пронумерованы и промаркированы 16, поэтому исследователю известны координаты отверстий.
Во время нейрохирургического вмешательства на головном мозге положение датчиков системы нейронавигации зависит от выполняемого хирургического доступа. Основными условиями являются: рабочая дистанция от датчиков до головы пациента (2-3 метра) и попадание в поле их зрения требуемых хирургических инструментов. Система нейронавигации имеет световой излучатель - лазерную указку, расположенную между датчиками, что позволяет хирургу направить их на голову пациента перед началом операции.
Методика определения расположения датчиков системы нейронавигации по отношению к фантому заключается в следующем: если направлять лазерную указку нейронавигации через отверстия в сфере на центральную метку, становится известен зенит и азимут положения датчиков системы нейронавигации по отношению к фантому (они будут равны известным координатам отверстий). Отверстия в крышке могут также быть использованы как входные точки для стереотаксического инструмента, то есть моделировать трефинационные отверстия на черепе.
Модуль стереозрения 2 (фиг. 1, 2) представляет собой кронштейн для установки двух цифровых камер. На уровне высоты центральной метки модуля «голова фантома» в кронштейне модуля стереозрения имеются два отверстия для цифровых камер. Камеры закрепляются таким образом, чтобы оптические оси объективов были параллельны. Таким образом, модуль формирует условия для создания стереопары параллельным методом.
Известно, что методом стереозрения расстояние до близких объектов можно измерить точнее, чем для удаленных, а также разрешающая способность системы стереозрения возрастает с увеличением базы (стереобазис - расстояние между центрами линз объективов). Учитывая данные условия, дистанция между стойкой с отверстиями для камер и центральной меткой (находится в проекции целевых мишеней) выбрана таким образом, чтобы все целевые мишени попали в поле зрения камер, при этом расстояние между точками съемки левого и правого кадра (стереобазис) было максимальным в данных условиях. Такое положение отверстий для камер позволяет увеличить разрешающую способность системы стереозрения. Цифровые камеры подключены к ЭВМ с программой компьютерного зрения. Алгоритмы позволяют обрабатывать изображения с обеих камер и путем триангуляции получать координаты объектов, помещенных в пространство фантома. Получая и фиксируя координаты объектов (мишеней и кончика инструмента), появляется возможность вычислять расстояние между объектами и оценивать приращение координат к заданным осям.
Съемные целевые мишени (фиг. 5) представляют собой рентгенконтрастные сферы 8 диаметром 2,5 мм на стальном наконечнике 17, закрепленном на стальном стержне 18. Сферическая форма мишени позволяет легко определить ее центр как на компьютерной томографии, так и на изображении с цифровых камер модуля стереозрения. Наконечник 17 имеет внутреннюю метрическую резьбу, стержень 18 имеет наружную метрическую резьбу. Стержень впрессован в направляющей 7 в ребрах жесткости модуля «голова фантома». Воспроизводимость положения мишени осуществляется возможностью выкручивать целевую мишень из своей позиции на стержне и снова ее возвращать на свое место путем вкручивания в стержень. Кончиком стереотаксического инструмента является аналогичная целевым мишеням сфера диаметром 2,5 мм.
Применение указанных модулей обеспечивает достижение следующего технического результата: фантом совмещает оба этапа стереотаксического вмешательства - моделирование целевых мишеней и оценку точности наведения. Впервые реализованы съемные целевые мишени. Это дает возможность избежать физического контакта инструмента непосредственно с мишенью и лишает возможности субъективной оценки точности наведения, так как исследователь не видит мишень в момент наведения. Система компьютерного зрения позволяет получать координаты мишеней и кончика инструмента бесконтактно. Так как камеры располагаются в непосредственной близости к мишеням, точность оценки координат превосходит точностные характеристики системы нейронавигации, где датчики располагаются в 2-3 метрах от фантома. Такое решение позволяет получать погрешность наведения с субмиллиметровой точностью: испытания устройства показали среднюю погрешность измерения в 0,15 мм при использовании в модуле стереозрения цифровых камер с разрешением 1200×1600 пикселей, стереобазисом в 10 см и дистанцией до центральной метки в 15 см.
Устройство работает следующим образом. Фантому производится компьютерная томография, далее с помощью винтового соединения его крепят к операционному столу. Положение датчиков системы нейронавигации оценивают с помощью наведения лазерной указки на центральную метку фантома сквозь отверстия в фантоме. Системой нейронавигации производится процесс регистрации фантома методом «сбора точек» (PointMerge), т.е. касаясь кончиком регистрирующего зонда маркеров регистрации на поверхности фантома. С помощью модуля стереозрения, подключенного к ЭВМ, рассчитываются и сохраняются координаты положения целевых мишеней. Целевые мишени извлекают (выкручивают из стержня) из объема фантома. Таким образом, остается свободное пространство для локализации кончика инструмента. Далее, под контролем системы нейронавигации, производят стереотаксическое наведение кончика инструмента на целевую мишень (нейронавигация использует координаты мишени из данных компьютерной томографии). ЭВМ сравнивает координаты мишени (сохранены в памяти) и координаты кончика инструмента и выдает требуемые параметры: расстояние между ними, приращения координат на оси х, y, z системы координат модуля стереозрения. Процесс наведения повторяется для следующей целевой мишени.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет всесторонне исследовать зависимость погрешности наведения на целевые мишени от количества маркеров регистрации, их положения и размера; от положения навигационной станции; от разрешающей способности компьютерного и магнитно-резонансного томографа.