По всем вопросам звоните:

+7 495 274-22-22

УДК: 616.8 DOI:10.33920/med-01-2406-11

Технологии дополненной реальности в нейрохирургии: применение и ограничения. Обзор литературы

Коновалов Антон Николаевич e-mail: Ankonovalov@nsi.ru, к.м.н., научный сотрудник, врач-нейрохирург, ФГАУ НМИЦ Нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко, 4-я Тверская-Ямская ул., 16, 125047, г. Москва, Российская Федерация, ORCID: 0000-0002-0932-4752
Габриелян Леонтий Рудикович e-mail: Gabrielyanlr@nsi.ru, клинический ординатор 2-го года обучения по специальности «Нейрохирургия», ФГАУ НМИЦ Нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко, 4-я Тверская-Ямская ул., 16, 125047, г. Москва, Российская Федерация, ORCID: 0009-0003-6787-9136
Артемьев Антон Алексеевич студент Института клинической медицины им. Н.В. Склифосовского, ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, 119048, ул. Трубецкая, д. 8, стр. 2, г. Москва, Российская Федерация, ORCID: 0000-0002-3537-7997
Тимофеева Екатерина Юрьевна студентка Института клинической медицины им. Н.В. Склифосовского, ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, 119048, ул. Трубецкая, д. 8, стр. 2, г. Москва, Российская Федерация, ORCID: 0009-0002-0387-0768
Исагулян Эмиль Давидович к.м.н., врач-нейрохирург ФГАУ НМИЦ Нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко, 4-я Тверская-Ямская ул., 16, 125047, г. Москва, Российская Федерация, ORCID: 0000-0003-1191-9357
Фумин Илья Александрович врач-нейрохирург, «Клиника К+31», 119415, ул. Лобачевского, д.42, стр.4, г. Москва, Российская Федерация, ORCID: 0009-0001-3222-1487
Окишев Дмитрий Николаевич к.м.н., научный сотрудник, врач-нейрохирург, ФГАУ НМИЦ Нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко, 4-я Тверская-Ямская ул., 16, 125047, г. Москва, Российская Федерация, ORCID: 0000-0003-0815-5624
Пилипенко Юрий Викторович д.м.н., научный сотрудник, врач-нейрохирург, ФГАУ НМИЦ Нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко, 4-я Тверская-Ямская ул., 16, 125047, г. Москва, Российская Федерация, ORCID: 0000-0003-4001-3212
Элиава Шалва Шалвович член-корр. РАН, д.м.н., профессор, врач-нейрохирург, заведующий 3 нейрохирургическим отделением, ФГАУ НМИЦ Нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко, 4-я Тверская-Ямская ул., 16, 125047, г. Москва, Российская Федерация, ORCID: 0000-0001-6103-9329
Иванов Владимир Михайлович доктор физико-математических наук, профессор, Высшая Школа теоретической механики и математической физики, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ул. Политехническая, д. 29, литера Б, 195251, Санкт-Петербург, Российская Федерация, ORCID: 0000-0001-8194-2718
Смирнов Антон Юрьевич Институт компьютерных наук и кибербезопасности, кафедра Высшая школа компьютерных технологий и информационных систем, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ул. Политехническая, д. 29, литера Б, 195251, Санкт-Петербург, Российская Федерация, ORCID: 0009-0001-2440-2499
Стрелков Сергей Васильевич технический директор, ООО «МЕДЖИТАЛ», 197342, ул. Лисичанская, 6, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, ORCID: 0000-0002-5901-0866

Обнаружение хирургической патологии является одной из первостепенных задач нейрохирурга, составляя основу топического диагноза. Помимо общепринятых сегодня методов нейронавигации с помощью специальных навигационных систем, установления топики поражений головного и спинного мозга можно добиться с помощью интеграции виртуальной информации в физически окружающее пользователя пространство, что реализовано в системах дополненной реальности (ДР). В данной работе проведен обзор истории развития этой технологии и ее применения в нейрохирургии, проанализированы результаты использования ДР не только в контексте клинической нейрохирургической практики, но и в течение образовательного процесса, совершенствования манипуляционных навыков и изучения нейроанатомии. В обзоре проанализирован опыт исследователей, применивших метод ДР в различных областях нейрохирургии: сосудистой, функциональной, спинальной нейрохирургии и нейроонкологии, проведена сравнительная характеристика точности этого метода относительно систем безрамной нейронавигации, рассмотрены актуальные направления будущего развития в этой области. Несмотря на все более возрастающий интерес нейрохирургической общественности к данной технологии и все те преимущества, которые она потенциально может привнести в оперативный процесс, её применение в рутинной практике, как клинической, так и образовательной, всё ещё ассоциировано с определёнными ограничениями и сложностями, ив представленной работе приведены возможные пути решения данной проблемы.

Литература:

1. Tang, S. L., Kwoh, C. K., Teo, M. Y., Sing, N. W., Ling, K.V. Augmented reality systems for medical applications. IEEE engineering in medicine and biology magazine. — 1998. — Т. 17. — №. 3. — С. 49–58. Doi: 10.1109/51.677169.

2. Sielhorst T., Feuerstein M., Navab N. Advanced medical displays: A literature review of augmented reality //Journal of Display Technology. — 2008. — Т. 4. — №. 4. — С. 451–467. Doi: 10.1109/JDT.2008.2001575.

3. Sutherland I.E. A head-mounted three dimensional display //Proceedings of the December 9–11, 1968, fall joint computer conference, part I. — 1968. — С. 757–764. Doi: 10.1145/1476589.1476686.

4. Roberts, D. W., Strohbehn, J. W., Hatch, J. F., Murray, W., Kettenberger, H. A frameless stereotaxic integration of computerized tomographic imaging and the operating microscope //Journal of neurosurgery. — 1986. — Т. 65. — №. 4. — С. 545–549. Doi: 10.3171/jns.1986.65.4.0545

5. Deng, W., Li, F., Wang, M., Song, Z. Easy-to-use augmented reality neuronavigation using a wireless tablet PC //Stereotactic and functional neurosurgery. — 2014. — Т. 92. — №. 1. — С. 17–24. Doi: 10.1159/000354816.

6. Inoue, D., Cho, B., Mori, M., Kikkawa, Y., Amano, T., Nakamizo, A., Sasaki, T. Preliminary study on the clinical application of augmented reality neuronavigation // J Neurol Surg A Cent Eur Neurosurg. 2013. Vol. 74, № 2. Doi: 10.1055/s-0032–1333415.

7. Wu, H. Q., Geng, X. Y., Wang, L., Zhang, Y. P., Jiang, K., Tang, L. M., Dong, J.C. Optical augmented reality assisted navigation system for neurosurgery teaching and planning //Fifth International Conference on Digital Image Processing (ICDIP 2013). — SPIE, 2013. — Т. 8878. — С. 643–647. Doi: 10.1117/12.2030573.

8. Mahvash M., Besharati Tabrizi L. A novel augmented reality system of image projection for image-guided neurosurgery //Acta neurochirurgica. — 2013. — Т. 155. — С. 943–947. Doi: 10.1007/s00701-013-1668-2.

9. Kersten-Oertel, M., Chen, S. S., Drouin, S., Sinclair, D. S., Collins, D.L. Augmented reality visualization for guidance in neurovascular surgery //Medicine Meets Virtual Reality 19. — IOS Press, 2012. — С. 225–229. Doi: 10.3233/978-1-61499-022-2-225.

10. Abe, Y., Sato, S., Kato, K., Hyakumachi, T., Yanagibashi, Y., Ito, M., Abumi, K. A novel 3D guidance system using augmented reality for percutaneous vertebroplasty //Journal of Neurosurgery: Spine. — 2013. — Т. 19. — №. 4. — С. 492–501. Doi:10.3171/2013.7. SPINE12917.

11. Ivanov, V., Krivtsov, A., Strelkov, S., Gulyaev, D., Godanyuk, D., Kalakutsky, N., Yaremenko, A. Surgical navigation systems based on augmented reality technologies //arXiv preprint arXiv:2106.00727. — 2021. Doi: 10.48550/arXiv.2106.00727.

12. Ivanov, V. M., Krivtsov, A. M., Strelkov, S. V., Kalakutskiy, N. V., Yaremenko, A. I., Petropavlovskaya, M. Y., Litvinov, A.P. Intraoperative use of mixed reality technology in median neck and branchial cyst excision //Future Internet. — 2021. — Т. 13. — №. 8. — С. 214. Doi: 10.3390/ fi13080214.

13. de Almeida A.G. C., de Oliveira Santos B.F., Oliveira J.L. M. A neuronavigation system using a mobile augmented reality solution //World Neurosurgery. — 2022. — Т. 167. — С. e1261-e1267. Doi: 10.1016/j.wneu.2022.09.014.

14. Cabrilo I., Bijlenga P., Schaller K. Augmented reality in the surgery of cerebral aneurysms: a technical report //Operative Neurosurgery. — 2014. — Т. 10. — №. 2. — С. 252–261. Doi: 10.1227/NEU.0000000000000328.

15. Li, C. R., Shen, C. C., Yang, M. Y., Tsuei, Y. S., Lee, C.H. Intraoperative Augmented Reality in Microsurgery for Intracranial Arteriovenous Malformation: A Case Report and Literature Review //Brain Sciences. — 2023. — Т. 13. — №. 4. — С. 653. Doi: 10.3390/brainsci13040653.

16. Rychen, J., Goldberg, J., Raabe, A., Bervini, D. Augmented reality in superficial temporal artery to middle cerebral artery bypass surgery //Operative neurosurgery. — 2020. — Т. 18. — №. 4. — С. 444–450. Doi: 10.1093/ons/opz176.

17. Ivan, M. E., Eichberg, D. G., Di, L., Shah, A. H., Luther, E. M., Lu, V. M., Urakov, T.M. Augmented reality head-mounted display — based incision planning in cranial neurosurgery: A prospective pilot study //Neurosurgical focus. — 2021. — Т. 51. — №. 2. — С. E3. Doi: 10.3171/2021.5. FOCUS20735.

18. Finger, T., Schaumann, A., Schulz, M., & Thomale, U.W. Augmented reality in intraventricular neuroendoscopy //Acta Neurochirurgica. — 2017. — Т. 159. — С. 1033–1041.. Doi: 10.1007/s00701-017-3152-x.

19. Yoshiaki Goto, Ai Kawaguchi, Yuki Inoue, Yuki Nakamura, Yuta Oyama, Arisa Tomioka, Fumi Higuchi, Takeshi Uno, Masaaki Shojima, Taichi Kin, Masahiro Shin. Efficacy of a novel augmented reality navigation system using 3D computer graphic modeling in endoscopic transsphenoidal surgery for sellar and parasellar tumors //Cancers. — 2023. — Т. 15. — №. 7. — С. 2148. Doi: 10.3390/cancers15072148.

20. Bopp, M. H., Saß, B., Pojskić, M., Corr, F., Grimm, D., Kemmling, A., Nimsky, C. Use of neuronavigation and augmented reality in transsphenoidal pituitary adenoma surgery //Journal of Clinical Medicine. — 2022. — Т. 11. — №. 19. — С. 5590. Doi: 10.3390/jcm11195590.

21. Moses, Z. B., Mayer, R. R., Strickland, B. A., Kretzer, R. M., Wolinsky, J. P., Gokaslan, Z. L., Baaj, A.A. Neuronavigation in minimally invasive spine surgery //Neurosurgical focus. — 2013. — Т. 35. — №. 2. — С. E12. Doi: 10.3171/2013.5. FOCUS13150.

22. Molina, C. A., Sciubba, D. M., Greenberg, J. K., Khan, M., Witham, T. Clinical accuracy, technical precision, and workflow of the first in human use of an augmented-reality head-mounted display stereotactic navigation system for spine surgery //Operative Neurosurgery. — 2021. — Т. 20. — №. 3. — С. 300–309. Doi: 10.1093/ons/opaa398.

23. Kosmopoulos V., Schizas C. Pedicle screw placement accuracy: a meta-analysis //Spine. — 2007. — Т. 32. — №. 3. — С. E111-E120. Doi: 10.1097/01.brs.0000254048.79024.8b.

24. Noah Pierzchajlo, Taylor C. Stevenson, Huey Huynh, Jimmy Nguyen, Samuel Boatright, Priya Arya, Sachiv Chakravarti, Yusuf Mehrki, Nolan J. Brown, Julian Gendreau, Seung Jin Lee, Selby G. Chen. Augmented reality in minimally invasive spinal surgery: a narrative review of available technology //World Neurosurgery. — 2023. — Т. 176. — С. 35–42. Doi: 10.1016/j.wneu.2023.04.030.

25. Ann Liu, Yike Jin, Ethan Cottrill, Majid Khan, Erick Westbroek, Jeff Ehresman, Zach Pennington, Sheng-Fu L Lo, Daniel M Sciubba, Camilo A Molina, Timothy F Witham. Clinical accuracy and initial experience with augmented reality — assisted pedicle screw placement: the first 205 screws //Journal of Neurosurgery: Spine. — 2021. — Т. 36. — №. 3. — С. 351–357. Doi: 10.3171/2021.2. SPINE202097.

26. Onen M.R., Simsek M., Naderi S. Robotic spine surgery: a preliminary report //Turkish Neurosurgery. — 2014. — Т. 24. — №. 4. Doi: 10.5137/1019–5149. JTN.8951–13.1.

27. van Dijk, J. D., van den Ende, R. P., Stramigioli, S., Köchling, M., Höss, N. Clinical pedicle screw accuracy and deviation from planning in robot-guided spine surgery: robot-guided pedicle screw accuracy //Spine. — 2015. — Т. 40. — №. 17. — С. E986-E991. Doi: 10.1097/ BRS.0000000000000960.

28. Elmi-Terander, A., Burström, G., Nachabe, R., Skulason, H., Pedersen, K., Fagerlund, M., Ståhl. F., Charalampidis, A., Söderman, M., Holmin, S., Babic, D., Jenniskens, I., Edström, E., Gerdhem, P. Pedicle screw placement using augmented reality surgical navigation with intraoperative 3D imaging: a first in-human prospective cohort study //Spine. — 2019. — Т. 44. — №. 7. — С. 517–525. Doi: 10.1097/BRS.0000000000002876.

29. Carl, B., Bopp, M., Saß, B., Pojskic, M., Nimsky, C. Augmented reality in intradural spinal tumor surgery //Acta neurochirurgica. — 2019. — Т. 161. — С. 2181–2193. Doi: 10.1007/s00701-019-04005-0.

30. Rau, A., Roelz, R., Urbach, H., Coenen, V. A., Demerath, T., Reinacher, P.C. Application of augmented reality in percutaneous procedures — rhizotomy of the Gasserian ganglion //Operative Neurosurgery. — 2021. — Т. 21. — №. 3. — С. 160–164. Doi: 10.1093/ons/opab155.

31. Jun, E. K., Lim, S., Seo, J., Lee, K. H., Lee, J. H., Lee, D., Koh, J.C. Augmented Reality-Assisted Navigation System for Transforaminal Epidural Injection //Journal of Pain Research. — 2023. — С. 921–931. Doi: 10.2147/JPR.S400955.

32. Berger A., Choudhry O.J., Kondziolka D. Augmented Reality — Assisted Percutaneous Rhizotomy for Trigeminal Neuralgia //Operative Neurosurgery. — 2023. — Т. 24. — №. 6. — С. 665–669. Doi: 10.1227/ons.0000000000000661.

33. Domínguez‐Velasco, C. F., Tello‐Mata, I. E., Guinto‐Nishimura, G., Martínez‐Hernández, A., Alcocer‐Barradas, V., Pérez‐Lomelí, J. S., Padilla‐Castañeda, M.A. Augmented reality simulation as training model of ventricular puncture: Evidence in the improvement of the quality of punctures //The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. — 2023. — Т. 19. — №. 5. — С. e2529. Doi: 10.1002/ rcs.2529.

34. Chiou, S. Y., Zhang, Z. Y., Liu, H. L., Yan, J. L., Wei, K. C., Chen, P.Y. Augmented reality surgical navigation system for external ventricular drain //Healthcare. — MDPI, 2022. — Т. 10. — №. 10. — С. 1815. Doi: 10.3390/healthcare10101815.

35. Gurses, M. E., Hanalioglu, S., Mignucci-Jiménez, G., Gökalp, E., Gonzalez-Romo, N. I., Gungor, A., Preul, M.C. Three-dimensional modeling and extended reality simulations of the cross-sectional anatomy of the cerebrum, cerebellum, and brainstem //Operative Neurosurgery. — 2023. — Т. 25. — №. 1. — С. 3–10. Doi: 10.1227/ons.0000000000000703.

Топический диагноз на основании неврологического осмотра являлся основным навигационным инструментом для нейрохирургов начала и середины XX века. Внедрение методов компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) произвело революцию в нейрохирургии, позволив выявлять патологические изменения малых размеров, осуществлять предоперационное планирование. Ориентируясь на «двухмерную» информацию о патологическом процессе, нейрохирурги учились соотносить ее с нормальными анатомическими структурами. В последующем были разработаны нейронавигационные системы, которые позволили с высокой точностью локализовать патологический очаг, повышая безопасность и облегчая планирование нейрохирургического вмешательства.

Несмотря на значительные успехи в этой области, текущие методы навигации требуют от хирургов сложного процесса ментального преобразования двумерных изображений КТ и МРТ в трехмерную анатомию, опираясь на нормальные анатомические ориентиры. Трёхмерная анатомия, сгенерированная по КТ- и МРТ- снимкам пациента с помощью компьютерного программного обеспечения, частично решает эту проблему, однако хирурги при этом все еще вынуждены манипулировать инструментами, смотря на отдельный дисплей, прерывая манипуляции в операционном поле.

Возможность интеграции виртуальной визуальной информации в физически окружающее пространство реализована в системах дополненной реальности (ДР, или же (augmented reality, AR), где компьютерно-сгенерированные 2D или 3D изображения накладываются на поле зрения пользователя. Дополненная реальность отличается от виртуальной реальности (virtual reality, VR): в VR пользователь полностью погружается в компьютерно-сгенерированную среду, не обладая возможностью наблюдать окружающее его физически существующее пространство. В данной работе мы рассмотрим историю использования ДР, опишем современные методы ДР, их применение в нейрохирургии и ограничения.

Дополненная реальность (ДР) — это технология, которая позволяет добавлять виртуальные объекты или информацию в режиме реального времени в окружающее пользователя реально существующее пространство [1]. Эта технология открывает огромные возможности, изменяя подходы и способы обучения, планирования и проведения хирургических вмешательств.

Для Цитирования:
Коновалов Антон Николаевич, Габриелян Леонтий Рудикович, Артемьев Антон Алексеевич, Тимофеева Екатерина Юрьевна, Исагулян Эмиль Давидович, Фумин Илья Александрович, Окишев Дмитрий Николаевич, Пилипенко Юрий Викторович, Элиава Шалва Шалвович, Иванов Владимир Михайлович, Смирнов Антон Юрьевич, Стрелков Сергей Васильевич, Технологии дополненной реальности в нейрохирургии: применение и ограничения. Обзор литературы. Вестник неврологии, психиатрии и нейрохирургии. 2024;6.
Полная версия статьи доступна подписчикам журнала
Язык статьи:
Действия с выбранными: