CC BY
42
Новые технологии в онкологии
© В.Н. Дубровин, А.В. Егошин, Д.М. Батухтин, Р.В. Ерусланов, Д.С. Чернышев, А.А. Роженцов, Я.А. Фурман, 2017
УДК 616.61-089.87
ПЕРВЫЙ ОПЫТ 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИНТРАОПЕРАЦИОННОЙ НАВИГАЦИИ ПРИ ЛАПАРОСКОПИЧЕСКОЙ РЕЗЕКЦЦИИ ПОЧКИ
В.Н. Дубровин1, А.В. Егошин1, Д.М. Батухтин2, Р.В. Ерусланов2, Д.С. Чернышев2, А.А. Роженцов2, Я.А. Фурман2
1ГБУ РМЭ «Республиканская клиническая больница», г. Йошкар-Ола 2ФГБОУ ВО «Поволжский технологический университет», г. Йошкар-Ола
VIRTUAL SIMULATION, PREOPERATIVE PLANNING AND INTRAOPERATIVE NAVIGATION DURING LAPAROSCOPIC PARTIAL NEPHRECTOMY
V.N. Dubrovin1, A.V. Egoshin1, D.M. Batukhtin2, R.V. Eruslanov2, D.S. Chernishov2, A.A. Rozhentsov2, Ya.A. Furman2
1Republic Clinical Hospital, Yoshkar-Ola
2Volga State University of Technology, Yoshkar-Ola
Дубровин Василий Николаевич — доктор медицинских наук, профессор, заведующий урологическим отделением ГБУ РМЭ «Республиканская клиническая больница»
424037, Республика Марий-Эл, г. Йошкар-Ола, ул. Осипенко, д. 33, тел. +7-902-671-69-92, e-mail: [email protected] Dubrovin V.N. — D. Med. Sc., Professor, head of the Urology Department of Republic Clinical Hospital
33 Osipenko Str., Yoshkar-Ola, Republic of Mari El, Russian Federation, 424037, tel. +7-902-671-69-92, e-mail: [email protected]
Реферат. Использование систем компьютерной навигации является новым и активно изучаемым методом, применяемым для операций на органах брюшной полости и забрюшинного пространства. В данной работе мы предлагаем оригинальный программно-аппаратный комплекс, который на основе данных компьютерной томографии, формирует виртуальную модель органа, передаваемую на экран операционного монитора при помощи хирургической навигационной системы, сопряженной с механическим дигитайзером. Метод применен при лапароскопической резекции почки. Оперировано 9 пациентов среднего возраста 45,9 (38-54) лет, среднее время операции составило 101,7 (80-155) минуты, время тепловой ишемии — 17,3 (12-25) минут. Серьезных осложнений не было отмечено. Средняя продолжительность лечения составила 6,9 (5-10) дня. Метод обеспечил хирургу лучшую ориентировку при выполнении операции. Ключевые слова: 3D моделирование, интраоперационная навигация, лапароскопическая резекция почки.
Abstract. The use of computer navigation system is new actively explored the method used for operations on the abdominal and retroperitoneal organs. In this paper, we propose an original hardware-software complex, which on the basis of computer tomography data, forms a virtual body model, transmitted to the operating screen monitor using a surgical navigation system, involving a mechanical digitizer. The method is used in laparoscopic partial nephrectomy. 9 patients were operated on average 45.9 (38-54) years, the mean operative time was 101.7 (80-155) minutes, warm ischemia time — 17.3 (12-25) minutes. No serious complications were noted. The average duration of treatment was 6.9 (5-10) days. The method provided a better orientation of the surgeon during the operation.
Key words: 3D modeling, computer navigation system, laparoscopic partial nephrectomy.
Введение
При проведении видео-эндоскопических операций на органах забрюшинного пространства актуальным является применение интраоперационной навигации на основе данных, полученных при пред-
операционной компьютерной томографии (КТ). Для лучшего пространственного изображения объекта формируют ЭР модель, далее выполняют комплекси-рование изображений виртуальной модели пациента с изображениями на экране монитора, получаемыми во время операции. Такая методика активно изучает-
ся в настоящее время, появились примеры ее использования под названием технологии дополненной реальности [7, 18]. Несомненным плюсом применения данной методики является облегчение ориентирования хирурга в операционном поле, что особенно важно в процессе освоения методики лапароскопических операций специалистами и преодолении связанных с этим сложностей [3]. Обычными требованиями, предъявляемыми к таким системам, являются: возможность применения их в режиме реального времени, надежность и точность совмещения изображений виртуальных и реальных объектов.
В данной работе представлен оригинальный компьютерный продукт «Волга-М» (патент РФ №2055660462 гос. регистрация 01.10.2015 г.), позволяющий формировать 3Р модель из данных, полученных при компьютерной томографии, не зависимо от модели аппаратуры, проводить предоперационное планирование хирургического вмешательства, используя виртуальную модель на экране монитора, а также начальные клинические исследования использования интраоперационной навигации при проведении лапароскопической резекции почки [2].
Материал и методы
В Приволжском государственном техническом университете и Республиканской клинической больнице г. Йошкар-Олы Республики Марий Эл разработан компьютерный продукт «Волга-М», который позволяет на основании данных, полученных на любом компьютерном томографе, формировать 3Р модель органов зоны хирургического интереса.
Для формирования 3Р модели выделяли контур сегментированного изображения. Выделение и прослеживание контура включает в себя ряд последовательных этапов обработки изображения, в результате чего формируется трехмерная модель почки и опухо-
Рис. 1. Виртуальная модель почки с опухолью
ли, представленная в различных ракурсах. Окончательное отображение объемной модели выполняется в условиях «прозрачности» зоны операционного вмешательства, окружающей интересующий орган, при необходимости формируется полупрозрачная модель оперируемого органа для выявления его внутренней структуры, как пример, выбирали пациентов с опухолью почки (рис. 1). Полученную модель органа демонстрировали пациентам и их родственникам для объяснения характера заболевания и планируемой операции.
При проведении видео-эндоскопического хирургического вмешательства для совмещения изображения 3D модели видеоизображения на экране монитора в операционной и определения положения в пространстве хирургической видеокамеры использовали механический дигитайзер, совмещенный с лапароскопом и головкой видеокамеры (рис. 2). Создавали изображение виртуального органа в проекции, соответствующей расположению реальной камеры и передавали на лапароскопический монитор в виде отдельного окна.
На проведение исследования было получено одобрение локального этического комитета Республиканской клинической больницы РМЭ, получено добровольное информированное согласие пациентов. Девяти пациентам, среди которых мужчин было 4 (44,4%), женщин — 5 (55,6%), среднего возраста 45,9 (38-54) лет провели стандартное клиническое обследование, включающее спиральную компьютерную томографию, результаты которой были записаны в формате DICOM. Компьютерную томографию проводили на аппаратах Siemens «Sonotom 3000» или Philips «Brilliance 64» с использованием рентген-контрастного вещества «Ультравист-370» в стандартных дозировках, на полученном изображении выделяли почку, как интересующий орган забрюшинного пространства. У всех пациентов установлен диагноз: рак
Рис. 2. Лапароскоп и видеокамера, совмещенные с 3D дигитайзером
почки в стадии Т1Ы0М0. При помощи оригинального компьютерного продукта «Волга-М» формировали ЭР модель зоны хирургического интереса и интересующего органа — почки с опухолью и с кровеносными сосудами. ЭР модель почки с опухолью демонстрировалась пациентам для лучшего понимания характера поражения, локализации и размеров опухоли, особенностей предстоящей операции.
При предоперационном планировании оперативного вмешательства проводили выделение сегментарных артерий почки, кровоснабжающих сегмент, пораженный опухолью, участков кровеносных сосудов, наиболее удобных для их временного пережатия, виртуальное удаление опухоли почки, результаты которого впоследствии можно было сопоставить с видеоизображением реальной операции.
Всем пациентам выполнили стандартную чрез-брюшинную лапароскопическую резекцию почки, во время которой проводили мобилизацию соответствующего отдела толстого кишечника, выделяли сосуды почечной ножки, при возможности до сегментарного уровня, производили пережатие сегментарной или общей почечной артерии с учетом времени тепловой ишемии, выполняли резекцию почки холодными ножницами и ушивали дефект паренхимы обвивным гемостатическим швом.
Изучены демографические, интраоперационные и послеоперационные данные пациентов, а именно, время выполнения операции, включая время тепловой ишемии, данные послеоперационной гистологии, края резекции и послеоперационные осложнения.
Результаты и обсуждение
Всем пациентам была успешно выполнена лапароскопическая резекция почки. При выполнении опе-
ративного приема селективное пережатие сегментарной почечной артерии оказалось возможным в Э (43%) случаях, в остальных 4 (57%) случаях — зажим накладывался на почечную артерию. Резекция почки проводилась «холодными» ножницами. Полостная система почки не вскрывалась во всех случаях. С ге-мостатической целью паренхима ушивалась обвив-ным швом на пластиковых клипсах. Время тепловой ишемии составило 17,3 (12-25) минут. Среднее время операции было 101,7 (80-155) минут. Кровопотеря во время операции составила 222,2 (100-400) мл. В послеоперационном периоде проводилась ранняя активизация пациента. Серьезных осложнений по классификации С!эу1еп [5] в послеоперационном периоде не наблюдалось, у пациента №4 было преходящее повышение уровня сывороточного креатинина, не потребовавшее специального лечения (С1), у пациента №3 наблюдалась инфекция мочевыводящего тракта, проведена коррекция антибактериальной терапии (С2). У всех пациентов диагностирован светлоклеточ-ный рак почки, не зафиксировано случа ев положительного хирургического края при гистологическом исследовании. Средняя продолжительность лечения составила 6,9 (5-10) дня.
Полученная при помощи программы «Волга-М» объемная модель органа перед операцией позволила провести предоперационное планирование предстоящей резекции почки, при котором была определена локализация опухоли, ее связь с артериями паренхимы почки, полостной системой почки, определили участки почечной артерии, наиболее удобные для наложения сосудистого зажима. При виртуальном удалении опухоли можно было наблюдать вероятные повреждения внутренних структур почки, определить их локализацию и спрогнозировать методы устранения возможных осложнений. Во всех случаях
Рис. 3. Изображение ЭР модели на экране монитора Рис. 4. Пережатие сегментарной артерии сосудистым зажи-
мом с использованием виртуальной модели
предоперационного планирования и обсуждения его результатов с пациентом и его родственниками было достигнуто понимание пациентом сути заболевания и особенностей предстоящего хирургического вмешательства.
Видеоизображение виртуальной модели почки демонстрировали в операционной на экране монитора совместно с изображением, полученным с лапароскопической камеры (рис. 3).
При использовании технологии дополненной реальности проводилось совмещение видеоизображения почки с опухолью и 3Р модели, с демонстрацией расположения сосудов почечной ножки, сегментарных артерий, выбранного на этапе предоперационного планирования участка артерии для наложения сосудистого зажима, точной локализации опухоли (рис. 4).
Использование методики совмещения 3Р модели, полученной при обработке данных компьютерной томографии с интраоперационным видеоизображением, позволило хирургу максимально точно представить ангио-архитектонику оперируемого органа, его анатомию, положение и распространение опухоли почки, связь с кровеносными сосудами, благодаря чему была проведена резекция почки радикально с максимальным сохранением неизмененной паренхимы. Лоцирование и последующее изолированное пережатие сегментарной артерии дает значительное преимущество в плане сохранения почечной функции после операции путем исключения ишемии паренхимы почки. Кровоснабжение нарушается только в сегменте, пораженном опухолевым процессом, сохраняя суммарную почечную функцию в послеоперационном периоде [1]. В представленном исследовании среднее время тепловой ишемии составило 17,3 (12-25) минут, кровопотеря составила в среднем 222,2 (100-400) мл.
Виртуальное моделирование находит все большее применение медицинской практике и является сочетанием достижений современных компьютерных технологий и средств медицинской визуализации [6, 9, 10, 16]. Создание 3Р модели органа или зоны хирургического вмешательства на основе КТ исследования позволяет совместить разные фазы контрастного исследования, включая сосудистую, паренхиматозную и экскреторную, что дает хирургу дополнительную информацию и полезно пациенту для понимания сущности заболевания [8, 17].
Современное развитие эндоскопических технологий имеет существенные преимущества для больного, связанные с малотравматичностью операции. Однако применение эндоскопических технологий создает дополнительные сложности, такие как непривычный
характер визуализации, так как хирург наблюдает за своими действиями на экране монитора с 2Р изображением, отсутствие тактильной чувствительности, ограничение зоны обзора полем зрения видеокамеры. В подобной ситуации дополнительная информация об индивидуальной анатомии зоны вмешательства становится чрезвычайно полезной.
Использование виртуальной 3Р модели, технологии дополненной реальности позволяет оценить границы патологического процесса, увидеть внутренние структуры в режиме «полупрозрачности», что особенно ценно при резекции почки [14]. Однако применение технологии дополненной реальности в хирургии осложнено проблемой сопряжения 3Р модели и изображения реального органа на экране монитора при проведении эндоскопической операции в режиме реального времени.
В условиях проведения видео-эндоскопической операции, когда основным источником информации является монитор, его использование для визуализации 3Р модели применяется многими авторами [18]. При этом изображение модели может накладываться на видеоизображение, передаваться на часть экрана или на дополнительный экран монитора [8, 12].
Платформы, позволяющие создавать виртуальные модели органов или зон хирургического интереса на основании результатов КТ исследования, не привязанные непосредственно к аппарату КТ, такие как ТПеРго, обшх, начинают использоваться при лапароскопических и робот-ассистированных операциях, в том числе при резекции почки [12, 13, 18]. В 2009 году Би и соавт. успешно применили технологию дополненной реальности при робот-ассистированной резекции почки, используя наложение реконструированной 3Р компьютерной томографии на видеоизображение в режиме реального времени [15].
В нашем исследовании мы применили собственную разработку метода формирования виртуальной модели на основе предоперационного КТ исследования и комплексирования изображений виртуальной модели и реального органа — почки, пораженной опухолью. Дальнейшая экспериментальная работа планируется в направлении улучшения качества изображения, автоматической сегментации органа, адаптации виртуальной модели для печати на 3Р принтере, улучшения комплексирования видеоизображения. В настоящее время продолжаются исследования, направленные на сопряжение реального и виртуального видеоизображения при проведении видео-эндоскопических операций на органах забрюшинного пространства в режиме реального времени.
Выводы
1. Использование разработанного программного продукта «Волга-М» позволяет создать виртуальную трехмерную модель зоны хирургического вмешательства или интересующего органа на основе данных, полученных от любого компьютерного томографа.
2. 3D модель интересующего органа может быть с успехом использована для планирования операции, разъяснения ее этапов пациенту и непосредственно при проведении видео-эндоскопического вмешательства, в качестве дополнительной информации, передаваемой на экран монитора.
3. Предварительные результаты исследования продемонстрировали возможность успешного 3D моделирования для качественно нового способа визуализации пораженного органа при хирургическом вмешательстве, что особенно важно при орган-со-храняющих онкоурологических операциях, таких как лапароскопическая резекция почки.
Литература
1. Андрианов А.Н. Лапароскопическая резекция почки с применением радиочастотной термоабляции: отдаленные онкологические и функциональные результаты // Поволжский онкологический вестник. — 2014. — №3. — С. 6-15.
2. Ерусланов Р.В., Орехова М.Н., Дубровин В.Н. Сегментация изображений органов забрюшинного пространства по компьютерным томографическим изображениям на основе функции уровня // Компьютерная оптика. — 2015. — Т. 39, №3. — С. 1-8.
3. Федоров И.В. Опыт краткосрочного обучения врачей эндохирургии различных специальностей // Поволжский онкологический вестник. — 2014. — №1. — С. 54-56.
4. Dubrovin V.N., Batukhtin D.M., Yegoshin A.V. et al. Preoperative planning and intraoperative navigation, based on 3D modeling for retroperitoneal procedures // 3D reconstruction. Techniques, analysis and new developments / Editor J. Weber. — New York, 2016. — C. 1-38.
5. Clavien P.A., Barkun J., de Oliveira M.L. et al. The Clavien — Dindo classification of surgical complications: five-year experience // Ann. Surg. — 2009. — Vol. 250, №2. — P. 187-196.
6. Dubrovin V., Bashirov V., Furman Y. et al. Choice of surgical access for retroperitoneoscopic ureterolithotomy according to the results of 3D reconstruction of operational zone agreed with the patient: initial experience // Central European Journal
of Urology. — 2014. — Vol. 66, №4. — P. 447-452.
7. Hughes-Hallet A., Pratt P., Mayer S. et al. Image guidance for all. TilePro display of 3-dimensionally reconstructed images in robotic partial nephrectomy REPLY // Urology. — 2014. — Vol. 84, №1. — P. 237-243.
8. Lasser M.S., Doscher M., Keehn A. et al. Virtual surgical planning: a novel aid to robot-assisted laparoscopic partial nephrectomy // Journal of Endourology. — 2012. — Vol. 26, №10. — P. 1372-1379.
9. Marescaux J., Diana M., Soler L. Augmented Reality and Minimally Invasive Surgery // 2013. — Vol. 2, №5. — P. 555-560.
10. Nakamoto M., Ukimura O., Faber K., Gill I.S. Current progress on augmented reality visualization in endoscopic surgery // Current Opinion in Urology. — 2012. — Vol. 22, №2. — P. 121-126.
11. Poon S., Silberstein J., Chen L. et al. Trends in partial and radical nephrectomy: an analysis of case logs from certifying urologists // The Journal of Urology.
— 2013. — Vol. 190, №2. — P. 464-469.
12. Rassweiler J., Rassweiler M., Müller M. et al. Surgical navigation in urology. European perspective // Current Opinion in Urology. — 2014. — Vol. 24, №1. — P. 81-97.
13. Silberstein J., Maddox M., Dorsey P. et al. Physical models of renal malignancies using standart cross-sectional imaging and 3Dimentional printers: a pilot study // Urology. — 2014. — Vol. 84, №2. — P. 268-273.
14. Soler L., Marescaux J. Patient-specific surgical simulation // World Journal of Surgery. — 2008. — Vol. 32, №2. — P. 208-212.
15. Su L.M., Vagvolgyi B.P., Agarwal R. et al. Augmented reality during robot-assisted laparoscopic partial nephrectomy: toward real-time 3D-CT to stereoscopic video registration // Urology. — 2009 Apr. — №73 (4).
— P. 896-900.
16. Teber D., Guven S., Simpfendörfer T. et al. Augmented reality: a new tool to improve surgical accuracy during laparoscopic partial nephrectomy? Preliminary in vitro and in vivo results // European Urology. — 2009.
— Vol. 56, №2. — P. 332-338.
17. Ukimura O., Gill I.S. Image-fusion, augmented reality, and predictive surgical navigation // The Urologic clinics of North America. — 2009. — Vol. 36, №2. — P. 115-123.
18. Volonte F., Buch N. Augmented reality to the rescue of the minimally invasive surgeon. The usefulness of the interposition of stereoscopic images on the Da VinciTM robotic concole // The International Journal of Medical Robotics. — 2013.—Vol. 9, №3. — P. 34-38.
