Plaatsing van pedikelschroeven met behulp van een augmented reality-display op het hoofd in een varkensmodel
24 mei 2024
Het augmented reality-display op het hoofd, Magic Leap, werd gebruikt in combinatie met een conventioneel navigatiesysteem om pedikelschroeven in een varkensmodel te plaatsen door vast te houden aan een nieuwe workflow. Met een mediane inbrengtijd van <2,5 min werden volgens Gertzbein een technische nauwkeurigheid van de submillimeter en 100% klinische nauwkeurigheid bereikt.
In dit protocol bieden we een gedetailleerde gids over het integreren van augmented reality in uw minimaal invasieve workflow voor het vervangen van pedikelschroeven in een varkenskadavermodel. Aangezien augmented reality nog steeds een relatief nieuwe technologie is in de chirurgie, is het waardevol om chirurgen de juiste begeleiding te geven bij het gebruik ervan tijdens operaties. In deze onderzoeksopstelling gebruiken we een conventionele navigatie-opstelling met de toevoeging van een augmented reality-headset om navigatie-informatie te verstrekken op chirurgisch gebied.
Dit voorkomt de noodzaak om de aandacht te verdelen tussen het operatieveld en een apart navigatiedisplay. Maak om te beginnen twee 2D-verkenningsfoto's van het varkenskadaverexemplaar dat is voorbereid voor een operatie. Identificeer met behulp van de CBCT-scanner Loop-X de wervelniveaus die van belang zijn door middel van fluoroscopie.
Om de fluoroscopie-scan uit te voeren, gebruikt u de draadloze bedieningstablet van de CBCT-scanner om de scanner naar de gewenste positie te verplaatsen en de positie op de huid te markeren. Verplaats de CBCT-scanner uit de buurt van het operatieveld. Draag vervolgens de rugzak voor het head-mounted display of HMD.
Stel de processus spinosus bloot en bevestig een radiolucente navigatiereferentieklem aan een processus spinosus in het betreffende gebied. Gebruik de speciale schroevendraaier om de klem vast te zetten. Voer nu een anterieure, posterieure en laterale scan uit met de Loop-X.
Gebruik de 2D-scans om het interessegebied voor de 3D-scan te definiëren. Voer vervolgens een CBCT-scan uit en breng de scan over naar het navigatieplatform. Gebruik de spinale aanwijzer en de gereconstrueerde inline navigatieweergaven om de nauwkeurigheid van de patiëntregistratie op anatomische oriëntatiepunten te verifiëren.
Om een genavigeerde boorgeleider en een schroevendraaier op het navigatiesysteem te kalibreren, selecteert u het instrument in de Brainlab Spine and Trauma Instrument Setup Software. Presenteer het echte instrument aan de camera van het navigatiesysteem, samen met een kalibratieapparaat. Rust de chirurg vervolgens uit met een Magic Leap-headset en zorg ervoor dat elke chirurg nauwkeurig een HMD krijgt.
Om de communicatie tussen de HMD en de Spine and Trauma Navigation Software tot stand te brengen, scant u de QR-code die op het scherm van het navigatieplatform wordt weergegeven. De bijbehorende mixed reality-toepassing wordt uitgevoerd op de HMD en start de gegevensoverdracht ernaar. Als u de mixed reality-uitlijning wilt uitvoeren, bekijkt u de spine reference array een paar seconden via de HMD.
Wacht tot een 3D-model van de wervelkolom nauwkeurig is vergroot op het preparaat in de HMD. Kijk naast de 3D-overlay ook naar de 2D-navigatieweergaven en een tweede 3D-model boven de 2D-navigatieweergaven. Selecteer de Screw Planning-modus in de Spine and Trauma Navigation Software.
Pas de parameters aan voor de lengte, diameter en offset van de schroef. Plan de pedikelschroefpaden op basis van het 3D-geregistreerde augmented model en lijn ze uit met de anatomie van de wervelkolom. Voer fijnafstelling van de schroefpaden uit op het touchscreen van het navigatieplatform.
Markeer vervolgens kleine huidincisies met de scalpel voor minimaal invasieve toegang tot de pedikel op basis van het gesuperponeerde 3D-model dat zichtbaar is door de HMD. Na het ontleden van het zachte weefsel, plaatst u de genavigeerde boorgeleider en lijnt u deze uit op het geplande pad. Boor met een boormachine met een boor van 4,5 millimeter in het steeltje.
Voer een tweede CBCT uit om reconstructies van de geboorde wervels te verkrijgen voor de nauwkeurigheidsanalyse. Zorg ervoor dat het geboorde kanaal in de wervels duidelijk zichtbaar is voordat u het gebruikt voor latere nauwkeurigheidsanalyses. De postoperatieve CBCT-scans werden gebruikt om de tijd per canulatie en de klinische en technische nauwkeurigheid te beoordelen.
De gemiddelde inbrengtijd per canulatie was 141 plus of min 71 seconden. Alle 33 canulaties werden als klinisch nauwkeurig beschouwd volgens de Gertzbein-beoordelingsschaal. Voor de 33 uitgevoerde pedikelcanula's was de technische nauwkeurigheid 1,0 plus of min 0,5 millimeter bij het instappunt.
En 0,8 plus of min 0,1 millimeter op de bodem van het boorkanaal. De hoekafwijking was 1,5 plus of min 0,6 graden. In onze studie zorgt het gebruik van augmented reality gepresenteerd op een op het hoofd gemonteerd apparaat voor een hoge klinische nauwkeurigheid van het boren van steeltjes in dit varkenskadavermodel.
Onze studie biedt een stapsgewijze handleiding om de integratie van augmented reality in de chirurgische workflow te vergemakkelijken.
Overzicht
Deze studie onderzoekt de integratie van augmented reality (AR) in minimaal invasieve pedicle schroevenvervanging met behulp van een varkensmodel. Het gebruik van de Magic Leap hoofd-gedragen display in combinatie met conventionele navigatiesystemen toonde een hoge klinische nauwkeurigheid en efficiëntie aan.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurochirurgie
- Augmented Reality in Chirurgie
- Minimaal Invasieve Technieken
Achtergrond
- Augmented reality is een opkomende technologie in chirurgische toepassingen.
- Juiste begeleiding is essentieel voor chirurgen die AR gebruiken tijdens procedures.
- Deze studie richt zich op het verbeteren van de nauwkeurigheid van pedicle schroevenplaatsing.
- Het combineren van AR met traditionele navigatiesystemen kan chirurgische resultaten verbeteren.
Doel van het onderzoek
- Om een gedetailleerd protocol te bieden voor het integreren van AR in chirurgische workflows.
- Om de nauwkeurigheid en efficiëntie van pedicle schroevenplaatsing met behulp van AR te beoordelen.
- Om de klinische toepasbaarheid van AR in een varkens kadavermodel te evalueren.
Gebruikte methoden
- Gebruikt een Magic Leap headset naast een conventioneel navigatiesysteem.
- Uitgevoerde fluoroscopie en CBCT scans om wervelniveaus te identificeren.
- Navigatietools gekalibreerd en communicatie met het AR systeem tot stand gebracht.
- Nauwkeurigheidsbeoordelingen uitgevoerd met behulp van postoperatieve CBCT scans.
Belangrijkste resultaten
- Mediaan inbrengtijd voor schroeven was minder dan 2,5 minuten.
- Submillimeter technische nauwkeurigheid en 100% klinische nauwkeurigheid bereikt.
- Technische nauwkeurigheid gemeten op 1,0 mm bij het invoerpunt en 0,8 mm aan de onderkant van het boorkanaal.
- Geregistreerde hoekafwijking was 1,5 graden.
Conclusies
- AR verbetert de nauwkeurigheid van pedicle schroevenplaatsing aanzienlijk.
- De studie biedt een uitgebreide gids voor het integreren van AR in de chirurgische praktijk.
- Toekomstige toepassingen van AR kunnen de chirurgische precisie en resultaten verder verbeteren.
Veelgestelde vragen
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
