Platzierung von Pedikelschrauben mit einem Augmented-Reality-Head-Mounted-Display in einem Schweinemodell
24. Mai 2024
Das Augmented-Reality-Head-Mounted-Display Magic Leap wurde in Kombination mit einem herkömmlichen Navigationssystem verwendet, um Pedikelschrauben in einem Schweinemodell zu platzieren, indem ein neuartiger Workflow eingehalten wurde. Mit einer mittleren Einfügezeit von <2,5 min wurden nach Gertzbein eine technische Genauigkeit im Submillimeterbereich und eine klinische Genauigkeit von 100 % erreicht.
In diesem Protokoll finden Sie eine detaillierte Anleitung zur Integration von Augmented Reality in Ihren minimalinvasiven Arbeitsablauf für den Austausch von Pedikelschrauben in einem Schweinekadavermodell. Da Augmented Reality in der Chirurgie noch eine relativ neue Technologie ist, ist es wertvoll, Chirurgen eine angemessene Anleitung zu ihrer Verwendung während der Operation zu geben. In diesem Studienaufbau verwenden wir ein konventionelles Navigations-Setup mit einem zusätzlichen Augmented-Reality-Headset, um Navigationsinformationen direkt im Operationsfeld bereitzustellen.
Dadurch wird verhindert, dass die Aufmerksamkeit zwischen dem Operationsfeld und einem separaten Navigationsdisplay aufgeteilt werden muss. Nehmen Sie zunächst zwei 2D-Scout-Ansichtsaufnahmen des für die Operation vorbereiteten Schweinekadavers auf. Identifizieren Sie mit dem DVT-Scanner Loop-X die interessierenden Wirbelebenen durch Durchleuchtung.
Um den Durchleuchtungsscan durchzuführen, verwenden Sie das drahtlose Steuertablett des DVT-Scanners, um den Scanner in die gewünschte Position zu bewegen und die Position auf der Haut zu markieren. Bewegen Sie den DVT-Scanner vom Operationsfeld weg. Tragen Sie dann den Rucksack für das Head-Mounted-Display oder HMD.
Legen Sie den Dornfortsatz frei und befestigen Sie eine röntgendurchlässige Navigationsreferenzklemme an einem Dornfortsatz im interessierenden Bereich. Verwenden Sie den speziellen Schraubendreher, um die Klemme zu befestigen. Führen Sie nun einen anterioren, posterioren und lateralen Scan mit dem Loop-X durch.
Verwenden Sie die 2D-Scans, um den Interessenbereich für den 3D-Scan zu definieren. Führen Sie dann einen DVT-Scan durch und übertragen Sie den Scan auf die Navigationsplattform. Verwenden Sie den Wirbelsäulenzeiger und die rekonstruierten Inline-Navigationsansichten, um die Genauigkeit der Patientenregistrierung an anatomischen Orientierungspunkten zu überprüfen.
Um eine navigierte Bohrschablone und einen Schraubendreher für das Navigationssystem zu kalibrieren, wählen Sie das Instrument in der Brainlab Wirbelsäulen- und Traumainstrument-Setup-Software aus. Präsentieren Sie der Kamera des Navigationssystems das reale Instrument zusammen mit einem Kalibriergerät. Statten Sie den Chirurgen als Nächstes mit einem Magic Leap-Headset aus und stellen Sie sicher, dass jeder Chirurg genau mit einem HMD ausgestattet ist.
Um die Kommunikation zwischen dem HMD und der Wirbelsäulen- und Trauma-Navigationssoftware herzustellen, scannen Sie den QR-Code, der auf dem Bildschirm der Navigationsplattform angezeigt wird. Die entsprechende Mixed Reality-Anwendung wird auf dem HMD ausgeführt und initiiert die Datenübertragung zu ihm. Um die Mixed Reality-Ausrichtung durchzuführen, sehen Sie sich das Spine-Referenzarray einige Sekunden lang über das HMD an.
Warten Sie, bis ein 3D-Modell der Wirbelsäule genau auf die Probe im HMD übertragen wurde. Sehen Sie sich zusätzlich zum 3D-Overlay die 2D-Navigationsansichten und ein zweites 3D-Modell über den 2D-Navigationsansichten an. Wählen Sie den Schraubenplanungsmodus in der Wirbelsäulen- und Traumanavigationssoftware.
Passen Sie die Parameter für Länge, Durchmesser und Versatz der Schraube an. Planen Sie die Pedikelschraubenpfade basierend auf dem 3D-registrierten erweiterten Modell und richten Sie sie an der Anatomie der Wirbelsäule aus. Führen Sie die Feinabstimmung der Schraubenpfade auf dem Touchscreen der Navigationsplattform durch.
Markieren Sie dann kleine Hautschnitte mit dem Skalpell für einen minimalinvasiven Pedikelzugang basierend auf dem überlagerten 3D-Modell, das durch das HMD sichtbar ist. Positionieren Sie nach dem Präparieren des Weichgewebes die navigierte Bohrschablone und richten Sie sie auf den geplanten Pfad aus. Bohren Sie mit einer Bohrmaschine mit 4,5-Millimeter-Bohrer den Stiel.
Führen Sie ein zweites DVT durch, um Rekonstruktionen der gebohrten Wirbel für die Genauigkeitsanalyse zu erfassen. Stellen Sie sicher, dass der gebohrte Kanal in den Wirbeln gut sichtbar ist, bevor Sie ihn für nachfolgende Genauigkeitsanalysen verwenden. Die postoperativen DVT-Scans wurden verwendet, um die Zeit pro Kanüle und die klinische und technische Genauigkeit zu beurteilen.
Die mittlere Einführzeit pro Kanüle betrug 141 plus oder minus 71 Sekunden. Alle 33 Kanülen wurden nach der Gertzbein-Bewertungsskala als klinisch korrekt eingestuft. Bei den 33 durchgeführten Pedikelkanülen betrug die technische Genauigkeit 1,0 plus oder minus 0,5 Millimeter am Eintrittspunkt.
Und 0,8 plus oder minus 0,1 Millimeter am Boden des Bohrkanals. Die Winkelabweichung betrug 1,5 plus oder minus 0,6 Grad. In unserer Studie bietet die Verwendung von Augmented Reality, die auf einem am Kopf montierten Gerät präsentiert wird, eine hohe klinische Genauigkeit beim Bohren von Pedikeln in diesem Schweinekadavermodell.
Unsere Studie bietet eine Schritt-für-Schritt-Anleitung, um die Integration von Augmented Reality in den chirurgischen Arbeitsablauf zu erleichtern.
Überblick
Diese Studie untersucht die Integration von erweiterter Realität (AR) in den minimal-invasiven Austausch von Pedikelschrauben unter Verwendung eines Schweinemodells. Die Verwendung des Magic Leap Head-Mounted Displays in Verbindung mit herkömmlichen Navigationssystemen zeigte eine hohe klinische Genauigkeit und Effizienz.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurochirurgie
- Erweiterte Realität in der Chirurgie
- Minimal-invasive Techniken
Hintergrund
- Erweiterte Realität ist eine aufkommende Technologie in chirurgischen Anwendungen.
- Richtige Anleitung ist für Chirurgen, die AR während der Eingriffe verwenden, unerlässlich.
- Diese Studie konzentriert sich auf die Verbesserung der Genauigkeit der Pedikelschrauben-Platzierung.
- Die Kombination von AR mit traditionellen Navigationssystemen kann chirurgische Ergebnisse verbessern.
Zweck der Studie
- Ein detailliertes Protokoll für die Integration von AR in chirurgische Arbeitsabläufe bereitzustellen.
- Die Genauigkeit und Effizienz der Pedikelschrauben-Platzierung unter Verwendung von AR zu bewerten.
- Die klinische Anwendbarkeit von AR in einem Schweine-Kadaver-Modell zu evaluieren.
Verwendete Methoden
- Ein Magic Leap Headset zusammen mit einem herkömmlichen Navigationssystem verwendet.
- Fluoroskopie und CBCT-Scans durchgeführt, um Wirbelkörperebenen zu identifizieren.
- Navigationstools kalibriert und Kommunikation mit dem AR-System hergestellt.
- Genauigkeitsbewertungen mit postoperativen CBCT-Scans durchgeführt.
Hauptergebnisse
- Die mittlere Einfügezeit für Schrauben betrug weniger als 2,5 Minuten.
- Submillimeter-technische Genauigkeit und 100% klinische Genauigkeit erreicht.
- Technische Genauigkeit am Einstichpunkt mit 1,0 mm und am Boden des Bohrkanals mit 0,8 mm gemessen.
- Die aufgezeichnete Winkelabweichung betrug 1,5 Grad.
Schlussfolgerungen
- AR verbessert die Genauigkeit der Pedikelschrauben-Platzierung erheblich.
- Die Studie bietet einen umfassenden Leitfaden für die Integration von AR in die chirurgische Praxis.
- Zukünftige Anwendungen von AR könnten die chirurgische Präzision und die Ergebnisse weiter verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Integrating augmented reality (AR) head-mounted displays into surgical navigation workflows addresses the challenge of real-time, high-precision instrument guidance in complex anatomical procedures. This protocol demonstrates submillimeter technical accuracy and robust workflow reproducibility, supporting predictive confidence at critical decision points in device and tool validation pipelines. The approach is directly relevant for translational research teams seeking to de-risk navigation technologies prior to clinical or commercial advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rigorous assessment of navigation system accuracy in anatomically relevant models.
- Supports functional validation of AR-guided workflows for device development.
- Facilitates mechanistic de-risking by quantifying technical and clinical accuracy outputs.
Screening & Assay Development
- Establishes standardized, reproducible protocols for evaluating navigation-assisted interventions.
- Generates quantitative accuracy metrics (e.g., entry point deviation, angular deviation) for benchmarking.
- Prepares validated workflow components for downstream translational or preclinical studies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns technical outputs with clinically relevant grading scales (e.g., Gertzbein) for translational continuity.
- Enables risk-adjusted advancement of navigation technologies based on objective performance data.
- Supports cross-functional collaboration by providing independently reviewed accuracy assessments.
Pipeline & Workflow Integration
This AR-guided navigation protocol fits within the continuum from device discovery through preclinical validation, providing a bridge between engineering innovation and translational readiness.
- Discovery Biology: Quantifies navigation accuracy and workflow feasibility in a controlled model system.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for cross-comparison of navigation modalities.
- Analytics: Provides statistical measures of deviation and clinical grading for robust decision-making.
- Translational Research: Aligns technical validation with clinical outcome metrics to support regulatory and preclinical milestones.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable protocol for evaluating AR navigation across diverse anatomical models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in navigation system performance and reduces mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Standardizes workflow, enhances reproducibility, and supports scalable evaluation of new technologies.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for device advancement and optimizes capital allocation by reducing late-stage risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of navigation-assisted interventions in translational pipelines.
Implementation Considerations
- Requires expertise in surgical navigation, AR system calibration, and anatomical model handling.
- Demands access to CBCT imaging, AR head-mounted displays, and integrated navigation software.
- Necessitates cross-team standardization for calibration, workflow execution, and accuracy assessment.
- Adaptation to other anatomical models may require protocol modifications and additional validation.
- Accuracy and workflow metrics must be independently reviewed to ensure cross-study comparability.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
0:56
Porcine Cadaver Specimen and Identification of the Vertebral Levels of Interest
2:26
Instrument Calibration and Head‐Mounted Device (HMD) Fitting
3:43
Planning the Pedicle Screw Placement, Pedicle Placement, and Visualization of the Screw Placement
5:01
Results: Analyzing the Technical Accuracy of the Pedicle Cannulation
5:55
Conclusion
