RU2790761C1 - Interactive medical phantom for practicing functional stereotaxic interventions - Google Patents
Interactive medical phantom for practicing functional stereotaxic interventions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790761C1 RU2790761C1 RU2022115154A RU2022115154A RU2790761C1 RU 2790761 C1 RU2790761 C1 RU 2790761C1 RU 2022115154 A RU2022115154 A RU 2022115154A RU 2022115154 A RU2022115154 A RU 2022115154A RU 2790761 C1 RU2790761 C1 RU 2790761C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stereotaxic
- phantom
- tomography
- intracranial
- training
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к медицинским фантомам для обучения хирургическим манипуляциям при работе со стереотаксическим нейрохирургическим оборудованием, позволяющим оценивать правильность выбора стереотаксической мишени для конкретной клинической задачи и определять эффективность стереотаксической операции.The present invention relates to medical phantoms for teaching surgical manipulations when working with stereotaxic neurosurgical equipment, which makes it possible to evaluate the correct choice of a stereotaxic target for a specific clinical task and determine the effectiveness of a stereotaxic operation.
Стереотаксическая методика высокоточного позиционирования хирургических инструментов для подведения лечебного воздействия широко используется при проведении нейрохирургических операций у пациентов, страдающих различным спектром двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона, эссенциальный тремор, дистония и других заболеваний функционального профиля. Техника проведения стереотаксической операции заключается в погружении стереотаксического инструмента по заведомо спланированной траектории в требуемую анатомическую область мозга для лечебного воздействия - в стереотаксической нейрохирургии эта область является «мишенью» для воздействия. При этом ошибка наведения на требуемую мишень должна быть минимальна, так как отклонение от требуемой мишени более чем на 1 мм в функциональном стереотаксисе, может значительно снижать эффективность операции. Факторами воздействия могут быть хроническая электростимуляция, термодеструкция, криодеструкция, лазерная абляция и прочее.The stereotaxic technique of high-precision positioning of surgical instruments for delivering therapeutic effects is widely used in neurosurgical operations in patients suffering from a different range of movement disorders, such as Parkinson's disease, essential tremor, dystonia, and other functional diseases. The technique of performing a stereotaxic operation consists in immersing a stereotaxic instrument along a deliberately planned trajectory into the required anatomical region of the brain for therapeutic effects - in stereotaxic neurosurgery, this area is a "target" for exposure. In this case, the pointing error on the required target should be minimal, since a deviation from the required target by more than 1 mm in functional stereotaxis can significantly reduce the efficiency of the operation. Influence factors can be chronic electrical stimulation, thermal destruction, cryodestruction, laser ablation, and so on.
Хирург заранее планирует траекторию подведения стереотаксического инструмента так, чтобы избежать повреждения важных структур мозга (кровеносные сосуды, функционально значимые зоны мозга), используя при этом данные нейровизуализации разных модальностей (магнитно-резонансная томография (МРТ), компьютерная томография (КТ), функциональная МРТ, МРТ-трактография и пр.). Современные представления об организации функций мозга и нейроанатомии позволяют предполагать как лечебный эффект, так и побочный эффект при распространении воздействия на известные анатомические области, такие как кортикоспинальный тракт, спинно-таламический, дентаторуброталамический тракт. Так, эффект воздействия при электростимуляции глубинных структур мозга влияет на проявление заболевания, например, снижает выраженность тремора у пациента с болезнью Паркинсона, ригидность в конечностях, симптомы гипокинезии; помимо положительного эффекта, стимуляция нежелательных структур мозга может вызывать и появление побочных эффектов (общее недомогание, сложности в произношении слов, стягивание мышечных групп и прочее). Чаще всего во время операции пациент находится в сознании, чтобы можно было оценивать неврологический статус непосредственно в момент лечебного воздействия. Эффективность стереотаксического вмешательства зависит в первую очередь от правильности выбора стереотаксической мишени для воздействия для конкретного клинического случая, а также от точности попадания в запланированную мишень.The surgeon plans in advance the trajectory of the stereotaxic instrument in such a way as to avoid damage to important brain structures (blood vessels, functionally significant areas of the brain), while using neuroimaging data of various modalities (magnetic resonance imaging (MRI), computed tomography (CT), functional MRI, MRI tractography, etc.). Modern ideas about the organization of brain functions and neuroanatomy allow us to assume both a therapeutic effect and a side effect when the effect spreads to known anatomical areas, such as the corticospinal tract, spinal-thalamic, dental-rubrothalamic tract. Thus, the effect of exposure to electrical stimulation of deep brain structures affects the manifestation of the disease, for example, reduces the severity of tremor in a patient with Parkinson's disease, stiffness in the limbs, symptoms of hypokinesia; in addition to a positive effect, stimulation of unwanted brain structures can also cause side effects (general malaise, difficulty in pronouncing words, contraction of muscle groups, etc.). Most often, during the operation, the patient is conscious, so that it is possible to assess the neurological status directly at the time of the therapeutic effect. The effectiveness of stereotaxic intervention depends primarily on the correct choice of a stereotaxic target for exposure for a particular clinical case, as well as on the accuracy of hitting the planned target.
Нередко во время проведения операции требуется принятие дополнительного решения (изменение позиции стереотаксического инструмента) в зависимости от эффекта воздействия. Весь этот процесс требует глубокого понимания нейроанатомии и нейрофизиологии, техники работы со стереотаксическим оборудованием, умения планирования вмешательства на рабочей станции, знания последовательности тех или иных хирургических манипуляций.Often, during the operation, an additional decision is required (changing the position of the stereotaxic instrument), depending on the effect of exposure. This whole process requires a deep understanding of neuroanatomy and neurophysiology, the technique of working with stereotaxic equipment, the ability to plan an intervention at a workstation, and knowledge of the sequence of certain surgical procedures.
Процесс обучения нейрохирурга навыкам проведения таких вмешательств является сложной задачей. Основным способом обучения являются мастер-классы и непосредственное ассистирование опытному хирургу на операции, чтение специализированной литературы. Задача осложняется еще тем, что существует множество различных видов стереотаксического оборудования, стереотаксических рам, роботов и систем безрамного стереотаксиса, использование которых в таких операциях имеет свои особенности. Одним из способов обучения в медицине является отработка навыков на медицинских фантомах. Стереотаксический фантом - это устройство, имитирующее голову пациента и позволяющее проводить стереотаксическое наведение хирургического инструмента в мишени с использованием методов стереотаксиса.The process of training a neurosurgeon to perform such interventions is a complex task. The main way of learning is master classes and direct assistance to an experienced surgeon during an operation, reading specialized literature. The task is further complicated by the fact that there are many different types of stereotaxic equipment, stereotaxic frames, robots and frameless stereotaxis systems, the use of which in such operations has its own characteristics. One way to learn in medicine is to practice skills on medical phantoms. A stereotaxic phantom is a device that imitates the patient's head and allows stereotaxic guidance of a surgical instrument at a target using stereotaxis methods.
Такой фантом несет две функции. Во-первых, это получение (отработка) навыков работы со стереотаксическим оборудованием. Второй немаловажной функцией является оценка точности попадания стереотаксического инструмента в запланированную мишень внутри фантома. Основными характеристиками стереотаксических фантомов являются размер и форма, материал, наполнение, конструкция входа и целевой мишени, совместимость со стандартными стереотаксическими рамами и головодержателями, совместимость со стандартными методами пространственной регистрации и совместимость с устройствами для измерения ошибки наведения [
С целью дальнейшего изложения материала введем ряд определений и рассмотрим основные элементы стереотаксической операции согласно уровню техники.For the purpose of further presentation of the material, we introduce a number of definitions and consider the main elements of a stereotaxic operation according to the state of the art.
На фиг. 1 изображена наглядная схема для стереотаксической операции с использованием рамного стереотаксиса.In FIG. 1 shows an illustrative diagram for a stereotaxic operation using frame stereotaxis.
Стереотаксическая процедура имеет несколько этапов: стереотаксическая разметка, планирование операции, регистрация, оперативный этап, интраоперационная и послеоперационная оценка эффективности процедуры. Этапы могут варьироваться в зависимости от типа используемого стереотаксического оборудования, но основные принципы стереотаксического наведения остаются неизменными.The stereotactic procedure has several stages: stereotactic marking, operation planning, registration, operational stage, intraoperative and postoperative assessment of the effectiveness of the procedure. The steps may vary depending on the type of stereotaxic equipment used, but the basic principles of stereotaxic targeting remain the same.
Основная задача стереотаксического метода, заключается в «привязке» пространства данных нейровизуализации с физическим пространством головы пациента и стереотаксического манипулятора путем проведения ряда аффинных геометрических преобразований, где в качестве ключевого элемента выступает стереотаксический локализатор.The main task of the stereotaxic method is to "link" the neuroimaging data space with the physical space of the patient's head and the stereotaxic manipulator by performing a series of affine geometric transformations, where the stereotaxic localizer acts as a key element.
Стереотаксическая рама (1) под местной анестезией жестко фиксируется к голове пациента (2) путем вворачивания остроконечных винтов (3) через кожу в кости черепа. Далее на раме закрепляется стереотаксический локализатор (4) - стереотаксический локализатор является базисом для задания начала координатной системы (z, x, y) для стереотаксической рамы, манипулятора и головного мозга. На локализаторе располагаются реперные ориентиры (5). С установленным локализатором пациенту проводится стереотаксическая томография. Таким образом, на полученных томограммах (6) в воксельном пространстве (k, i, j) визуализируются интракраниальные структуры с интракраниальной мишенью и экстракраниальные реперные ориентиры (точки, элементы) локализатора.The stereotaxic frame (1) is rigidly fixed to the patient's head (2) under local anesthesia by screwing pointed screws (3) through the skin into the skull bones. Next, a stereotaxic localizer (4) is fixed on the frame - the stereotaxic localizer is the basis for setting the origin of the coordinate system (z, x, y) for the stereotaxic frame, manipulator and brain. Reference landmarks (5) are located on the localizer. With the localizer installed, the patient undergoes stereotaxic tomography. Thus, on the obtained tomograms (6) in the voxel space (k, i, j), intracranial structures with an intracranial target and extracranial reference landmarks (points, elements) of the localizer are visualized.
Этап планирования операции. Полученные стереотаксические томограммы загружаются в планирующую станцию (ЭВМ), также загружаются все нейровизуализационные данные различных модальностей (МРТ-трактография, ПЭТ головного мозга и прочее, проведенные пациенту на дооперационном этапе), необходимые для планирования операции, которые совмещаются с локализационной томографией и получают единое нейровизуализационное (виртуальное) пространство. На этом этапе хирург работает в нейровизуализационном пространстве (виртуальное пространство головы пациента), задает целевую мишень в зависимости от поставленной клинический задачи, выбирает точку входа на черепе (место наложения трепанационного отверстия), тем самым задает траекторию погружения стереотаксического инструмента. Планирующая станция имеет внутренние алгоритмы, с помощью которых производится поиск паттернов реперных ориентиров локализатора и вычисляется функция преобразования пространства (аффинное преобразование) локализационной томографии через ряд этапов - сначала в физическое пространство стереотаксического локализатора, далее в пространство стереотаксического манипулятора. Фактически, хирург получает необходимые параметры, которые требуется выставить на шкалах стереотаксического манипулятора (7), чтобы обеспечить подведение стереотаксического инструмента (8) (канюлю) в целевую точку (мишень) головного мозга (9).Operation planning stage. The resulting stereotaxic tomograms are loaded into a planning station (computer), and all neuroimaging data of various modalities (MRI tractography, PET of the brain, etc., performed on the patient at the preoperative stage) are also loaded, which are necessary for planning the operation, which are combined with localization tomography and receive a single neuroimaging (virtual) space. At this stage, the surgeon works in the neuroimaging space (virtual space of the patient's head), sets the target target depending on the clinical task, selects the entry point on the skull (the location of the burr hole), thereby setting the trajectory of the stereotaxic instrument. The planning station has internal algorithms that search for patterns of reference landmarks of the localizer and calculate the space transformation function (affine transformation) of localization tomography through a series of stages - first into the physical space of the stereotaxic localizer, then into the space of the stereotaxic manipulator. In fact, the surgeon receives the necessary parameters that need to be set on the scales of the stereotaxic manipulator (7) in order to ensure that the stereotaxic instrument (8) (cannula) is brought to the target point (target) of the brain (9).
Хирургический этап. В операционной манипулятор (7) фиксируется к стереотаксической раме (1). Хирург, используя рассчитанные на предыдущем этапе данные, выставляет требуемые параметры на шкалах манипулятора и производит хирургическое вмешательство. Сначала хирург производит наложение трепанационного отверстия в черепе в точке, соответствующей точке доступа, далее погружает с помощью манипулятора (7) стереотаксический инструмент (8) по рассчитанной траектории в требуемую стереотаксическую мишень (9). Производится лечебное воздействие. Интраоперационно оценивается клинический эффект. При необходимости, в зависимости от эффекта воздействия, хирург может поменять позицию стереотаксического инструмента, например, сместить активный конец инструмента более латерально или вообще прекратить воздействие (остановить операцию) при наличии выраженного побочного эффекта.surgical stage. In the operating room, the manipulator (7) is fixed to the stereotaxic frame (1). The surgeon, using the data calculated at the previous stage, sets the required parameters on the scales of the manipulator and performs a surgical intervention. First, the surgeon makes a burr hole in the skull at the point corresponding to the access point, then, using the manipulator (7), the stereotaxic instrument (8) is immersed along the calculated trajectory into the required stereotaxic target (9). There is a healing effect. The clinical effect is evaluated intraoperatively. If necessary, depending on the effect of exposure, the surgeon can change the position of the stereotaxic instrument, for example, move the active end of the instrument more laterally or even stop the impact (stop the operation) if there is a pronounced side effect.
Оценка эффективности процедуры. После операции пациенту проводится контрольная томография головного мозга с целью исключения осложнений, а также оценки точности попадания в запланированную целевую точку мозга.Evaluation of the effectiveness of the procedure. After the operation, the patient undergoes a control tomography of the brain in order to exclude complications, as well as to assess the accuracy of hitting the planned target point of the brain.
Имеются стереотаксические системы класса «Ореол» [«способ наведения стереотаксического инструмента на целевую точку» патент РФ №RU (11) 2130759 (13) С1, дата публикации 27.05.1999], у которых локализатор вместо стереотаксической рамы съемно и воспроизводимо крепится к голове пациента при помощи индивидуального оттиска зубов, при этом также обеспечивается жесткое пространственное соответствие между реперами локализатора и внутримозговым пространством, необходимое для выполнения функций локализатора. При использовании систем безрамного стереотаксиса (навигационных систем) жесткой фиксации стереотаксического локализатора к голове пациента с помощью стереотаксической рамы не требуется, а в качестве паттерна регистрации используется форма модели поверхности кожи головы и лица или контрастные метки, закрепленные на коже головы. Таким образом, при использовании систем безрамного стереотаксиса стереотаксический локализатор в явном виде не представлен, а заменен неким аналогом из отдельных реперных элементов.There are stereotaxic systems of the “Halo” class [“method of pointing a stereotaxic instrument at a target point” patent of the Russian Federation No. RU (11) 2130759 (13) C1, publication date 05.27.1999], in which the localizer instead of a stereotaxic frame is removable and reproducibly attached to the patient’s head with the help of an individual impression of the teeth, while also providing a strict spatial correspondence between the localizer reference points and the intracerebral space, which is necessary to perform the functions of the localizer. When using frameless stereotaxis systems (navigation systems), rigid fixation of the stereotaxic localizer to the patient's head with the help of a stereotaxic frame is not required, and the shape of the model of the surface of the scalp and face or contrast marks fixed on the scalp are used as a registration pattern. Thus, when using frameless stereotaxis systems, the stereotaxic localizer is not explicitly presented, but is replaced by some analogue of individual reference elements.
В качестве манипулятора (7) могут выступать не только направляющие, фиксированные к стереотаксической раме, но и роботизированные комплексы, позволяющие в автоматическом режиме позиционировать стереотаксические инструменты. В таких случаях регистрация головы пациента проводится непосредственно в операционной с использованием дополнительного ряда преобразований с целью «привязки» системы координат манипулятора и головного мозга пациента.The manipulator (7) can be used not only as guides fixed to the stereotaxic frame, but also as robotic complexes that allow automatic positioning of stereotaxic instruments. In such cases, the registration of the patient's head is carried out directly in the operating room using an additional series of transformations in order to "bind" the coordinate system of the manipulator and the patient's brain.
Таким образом, любая современная стереотаксическая операция, независимо от типа используемого оборудования, сводится к принципу «привязки» пространства нейровизуализационных данных к физическому пространству головы пациента (структур головного мозга) с помощью явно или неявно заданного экстракраниального ориентира (локализатора).Thus, any modern stereotaxic operation, regardless of the type of equipment used, is reduced to the principle of "binding" the space of neuroimaging data to the physical space of the patient's head (brain structures) using an explicitly or implicitly specified extracranial landmark (localizer).
Стереотаксические фантомы моделируют голову человека с интракраниальной мишенью и позволяют использовать ту же методологию стереотаксической операции, которая выполняется на головном мозге человека.Stereotaxic phantoms simulate the human head with an intracranial target and allow the use of the same methodology of stereotaxic surgery that is performed on the human brain.
Известен «Макет черепа с внутричерепными ориентирами для исследования возможности сочетанного использования безрамной нейронавигации и стереотаксического устройства Э.И. Канделя», патент РФ № RU (11) 114208 (13) U1, дата публикации 10.03.12. Это антропоморфный фантом, представляющий из себя макет черепа с наложенными фрезевыми отверстиями и сконструированными внутричерепными ориентирами в виде подкорковых ядер, таламусов и образований мозжечка. Фантом позволяет моделировать доступ к глубинным внутримозговым образованиям при сочетанном использовании безрамной нейронавигации и стереотаксического устройства Э.И. Канделя. Возможности и задачи устройства ограничены использованием одного вида стереотаксического устройства. Кроме того, погрешность позиционирования инструмента в целевой мишени измеряется мануальным способом, что снижает точность измерений.Known for the "Layout of the skull with intracranial landmarks to study the possibility of combined use of frameless neuronavigation and E.I. Kandel”, RF patent No. RU (11) 114208 (13) U1, publication date 10.03.12. This is an anthropomorphic phantom, which is a model of the skull with superimposed burr holes and constructed intracranial landmarks in the form of subcortical nuclei, thalamus and cerebellar formations. The phantom allows simulating access to deep intracerebral formations with the combined use of frameless neuronavigation and E.I. Kandel. The capabilities and tasks of the device are limited to the use of one type of stereotaxic device. In addition, the positioning error of the tool in the target target is measured manually, which reduces the measurement accuracy.
Известно «Устройство для моделирования стереотаксических нейрохирургических вмешательств», патент РФ № RU (11) 199805 (13) U1, дата публикации 21.09.20, это не антропоморфный фантом, со съемными целевыми мишенями, где в качестве устройства оценки точности попадания в мишени используется модуль стереозрения. Устройство предназначено для оценки погрешности наведения стереотаксического инструмента в зависимости от количества маркеров регистрации системы нейронавигации, их положения и размеров, от положения оптических датчиков навигационной станции. Преимуществом устройства является возможность бесконтактно определять точность стереотаксической процедуры. Устройство совместимо с нейронавигацией, имеет не антропоморфную форму, целевые мишени являются абстрактными и не имеют привязки к анатомическим внутримозговым структурам. Кроме того, устройство не может быть приспособлено для работы с системами рамного стереотаксиса.Known "Device for modeling stereotaxic neurosurgical interventions", RF patent No. RU (11) 199805 (13) U1, publication date 09/21/20, this is not an anthropomorphic phantom, with removable target targets, where a module is used as a device for assessing the accuracy of hitting the target stereovision. The device is designed to estimate the pointing error of a stereotaxic instrument depending on the number of registration markers of the neuronavigation system, their position and size, and on the position of the optical sensors of the navigation station. The advantage of the device is the ability to non-contact determine the accuracy of the stereotaxic procedure. The device is compatible with neuronavigation, has a non-anthropomorphic form, the target targets are abstract and are not tied to anatomical intracerebral structures. In addition, the device cannot be adapted to work with frame stereotaxis systems.
Попытка приблизить свойства интракраниальных структур фантома к реальным структурам головного мозга представлена в пациент-специфичном нейрохирургическом фантоме, основанном на нейровизуализационных данных конкретного пациента [Grillo, Felipe Wilker, и др. «Patient-Specific Neurosurgical Phantom: Assessment of Visual Quality, Accuracy, and Scaling Effects». 3D Printing in Medicine, т. 4, вып. 1, декабрь 2018 г., с. 3. DOI.org (Crossref), https://doi.org/10.1186/s41205-018-0025-8.]. Это антропоморфный фантом, в качестве основы для интракраниальных анатомических структур которого взята информация, полученная из магнитно-резонансной томографии пациента. Конструкция фантома не позволяет работать со стереотаксическим оборудованием и измерять отклонение активного конца стереотаксического инструмента от целевой точки.An attempt to bring the properties of intracranial phantom structures closer to real brain structures is presented in a patient-specific neurosurgical phantom based on the neuroimaging data of a particular patient [Grillo, Felipe Wilker, et al. "Patient-Specific Neurosurgical Phantom: Assessment of Visual Quality, Accuracy, and Scaling Effects". 3D Printing in Medicine, vol. 4, no. 1, December 2018, p. 3. DOI.org (Crossref), https://doi.org/10.1186/s41205-018-0025-8.]. This is an anthropomorphic phantom based on the information obtained from the patient's magnetic resonance imaging as the basis for the intracranial anatomical structures. The design of the phantom does not allow working with stereotaxic equipment and measuring the deviation of the active end of the stereotaxic instrument from the target point.
Известен фантом для обучения и оптимизации функциональных стереотаксических операций [
Способы моделирования стереотаксической мишени и операции в целом, предложенные в известном уровне техники, недостаточны для комплексного обучающего процесса. Так, не антропоморфные фантомы абсолютно не отражают анатомическую и пространственную конфигурацию головы пациента и фактически используются только в доклинических и лабораторных исследованиях. Хирургу приходится довольно сильно абстрагировать свое видение операции в момент работы с такими типами фантомов.Methods for modeling a stereotaxic target and the operation as a whole, proposed in the prior art, are not sufficient for a comprehensive learning process. Thus, non-anthropomorphic phantoms absolutely do not reflect the anatomical and spatial configuration of the patient's head and are actually used only in preclinical and laboratory studies. The surgeon has to abstract his vision of the operation rather strongly when working with these types of phantoms.
Конструкцию антропоморфных фантомов стараются создать приближенной к анатомии головы человека, и работа с ними для хирурга наиболее приближена к реальным условиям проведения стереотаксического вмешательства. Однако на этапе проведения стереотаксической томографии известных антропоморфных фантомов хирург получает томографию фантома, которая не соответствует реальным нейровизуализационным данным человеческого мозга. Таким образом, хирург не отрабатывает те принципы планирования операции, которые применяются при проведении операции на головном мозге - выбор требуемой стереотаксической мишени в зависимости от диагноза и проявления заболевания, планирование траектории погружения инструмента минуя функционально-значимые области мозга и сосуды.They try to create the design of anthropomorphic phantoms close to the anatomy of the human head, and working with them for the surgeon is closest to the real conditions of stereotaxic intervention. However, at the stage of performing stereotaxic tomography of known anthropomorphic phantoms, the surgeon receives phantom tomography, which does not correspond to real neuroimaging data of the human brain. Thus, the surgeon does not work out the principles of planning the operation that are used when performing brain surgery - choosing the required stereotaxic target depending on the diagnosis and manifestation of the disease, planning the trajectory of the instrument immersion bypassing the functionally significant areas of the brain and blood vessels.
Кроме того, антропоморфные фантомы в первую очередь моделируют человеческий череп, однако, учитывая условия проведения этапа закрепления стереотаксического локализатора, необходимо моделировать и другие анатомические элементы и ориентиры - мягкие ткани, кожу. Нередко на определенных этапах некоторых вариантов оперативного вмешательства, например, имплантации нейростимуляторов, требуется подкожное проведение удлинителей в область передней стенки грудной клетки.In addition, anthropomorphic phantoms primarily model the human skull, however, given the conditions for the stage of fixing the stereotaxic localizer, it is necessary to model other anatomical elements and landmarks - soft tissues, skin. Often, at certain stages of some types of surgical intervention, for example, the implantation of neurostimulators, subcutaneous insertion of extenders into the region of the anterior chest wall is required.
Функциональная стереотаксическая операция - это не только высокоточное попадание инструмента в требуемую анатомическую мишень, но и умение хирурга правильно выбирать структуры мозга (стереотаксические мишени) для воздействия в зависимости от поставленной клинической задачи, а также оценка эффективности воздействия во время операции.Functional stereotaxic surgery is not only a high-precision hit of the instrument on the required anatomical target, but also the ability of the surgeon to correctly select brain structures (stereotaxic targets) for impact depending on the clinical task, as well as assessing the effectiveness of the impact during the operation.
Учитывая вышеописанное ограничение существующих стереотаксических фантомов согласно уровню техники, в практике обучения хирургов стереотаксическим вмешательствам они не получили должного внимания. Наличие столь большого количества вариантов представленных фантомов отражает потребность в создании универсального фантома.Given the above-described limitation of existing stereotaxic phantoms according to the prior art, they have not received due attention in the practice of training surgeons in stereotaxic interventions. The presence of such a large number of variants of the presented phantoms reflects the need to create a universal phantom.
Нами разработан новый тип стереотаксического фантома с обратной связью, который совместим со стереотаксическим оборудованием, позволяет в интерактивном режиме оценивать эффективность операции в зависимости от поставленной клинической задачи и позволяет хирургу работать с учебными данными нейровизуализации головного мозга человека при планировании операции.We have developed a new type of feedback stereotaxic phantom that is compatible with stereotaxic equipment, allows you to interactively evaluate the effectiveness of the operation depending on the clinical task, and allows the surgeon to work with human brain neuroimaging training data when planning the operation.
В соответствии с настоящими принципами, фантом представляет собой комплекс аппаратных и программных средств, включающих систему бесконтактной оценки позиционирования, модуль модификации данных стереотаксической томографии, блок принятия решения.In accordance with these principles, a phantom is a complex of hardware and software, including a non-contact positioning assessment system, a module for modifying stereotaxic tomography data, and a decision block.
Фантом интракраниально содержит реперные метки регистрации с учебными нейровизуализационными данными головного мозга человека и систему бесконтактной оценки позиционирования стереотаксического инструмента. Модуль модификации данных стереотаксической томографии позволяет виртуально заменять интракраниальное пространство стереотаксической томографии фантома на учебные нейровизуализационные данные головного мозга человека. Блок принятия решения обрабатывает данные, поступающие с интракраниальной системы бесконтактной оценки позиционирования стереотаксического инструмента во время операции, и в режиме реального времени оценивает предполагаемый клинический эффект от проведенного стереотаксического воздействия.The phantom intracranially contains fiducial registration marks with educational neuroimaging data of the human brain and a system for non-contact assessment of the positioning of the stereotaxic instrument. The module for modifying stereotaxic tomography data allows you to virtually replace the intracranial space of stereotaxic tomography of a phantom with training neuroimaging data of the human brain. The decision block processes the data coming from the intracranial system for non-contact assessment of the positioning of the stereotaxic instrument during the operation and evaluates the expected clinical effect of the stereotaxic impact in real time.
Приведенные и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеприведенного подробного описания наглядных вариантов осуществления изобретения, которое следует рассматривать в связи с прилагаемыми чертежами.The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of illustrative embodiments of the invention, which should be considered in connection with the accompanying drawings.
Настоящее раскрытие предмета изобретения представляет ниже на рассмотрение подробное описание предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на следующие фигуры, на которых:The present disclosure provides below for consideration a detailed description of the preferred embodiments with reference to the following figures, in which:
Фиг. 1 - схема, представляющая стереотаксическую операцию с использованием классического рамного стереотаксиса;Fig. 1 is a diagram showing a stereotaxic operation using a classic frame stereotaxis;
Фиг. 2 - схема, представляющая интерактивный медицинский фантом для отработки навыков проведения функциональных стереотаксических вмешательств в соответствии с настоящими принципами;Fig. 2 is a diagram representing an interactive medical phantom for practicing functional stereotaxic interventions in accordance with these principles;
Фиг. 3А - схема, представляющая интракраниальную установку калибровочной стойки;Fig. 3A is a diagram showing the intracranial setup of the calibration rack;
Фиг. 3Б - схема, представляющая подготовку учебных нейровизуализационных данных;Fig. 3B is a diagram representing the preparation of training neuroimaging data;
Фиг. 4 - блок-схема, представляющая этапы модификации стереотаксической томографии фантома;Fig. 4 is a block diagram showing the steps for modifying a stereotaxic phantom tomography;
Фиг. 5 - блок-схема последовательности операций способа имитации интракраниального пространства фантома нейровизуализационными данными человеческого мозга при проведении обучающей стереотаксической операции, в соответствии с наглядным вариантом осуществления.Fig. 5 is a flowchart of a method for simulating the intracranial space of a phantom with human brain neuroimaging data in a training stereotaxic operation, in accordance with an illustrative embodiment.
Элементы, изображенные на фигурах, могут быть исполнены в виде различных сочетаний аппаратного и программного обеспечения и обеспечивают функции, которые могут быть объединены в одном элементе или нескольких элементах. Кроме того, все формулировки в настоящем описании, перечисляемые принципы, аспекты и варианты осуществления изобретения, а также конкретные их примеры предназначены для охвата как конструктивных, так и функциональных эквивалентов упомянутых вариантов осуществления. Кроме того, предполагается, что упомянутые эквиваленты включают в себя как современные известные эквиваленты, так и эквиваленты, которые будут разработаны в будущем (т.е. любые разработанные элементы, которые выполняют такую же функцию, независимо от конструкции). Таким образом, например, специалистам в данной области техники будет очевидно, что блок-схемы, представленные в настоящей заявке, представляют концептуальные изображения наглядных системных компонентов и/или схем, использующих принципы изобретения. Аналогично следует понимать, что любые блок-схемы последовательности операций способов, схемы последовательностей процессов и т.п., представляют различные процессы, которые могут быть по существу представлены на машиночитаемом носителе, и, следовательно, выполнены компьютером или процессором, независимо от того, показан ли в явной форме или нет такой компьютер или процессор.The elements depicted in the figures may be implemented in various combinations of hardware and software and provide functions that can be combined in one element or several elements. In addition, all statements in the present description, enumerated principles, aspects and embodiments of the invention, as well as specific examples thereof, are intended to cover both structural and functional equivalents of the mentioned embodiments. Also, said equivalents are intended to include both current known equivalents and equivalents that will be developed in the future (ie, any elements developed that perform the same function, regardless of design). Thus, for example, those skilled in the art will appreciate that the block diagrams provided herein are conceptual representations of illustrative system components and/or circuits utilizing the principles of the invention. Likewise, it should be understood that any flowcharts, process flow diagrams, and the like, represent various processes that may be substantially represented on a computer-readable medium, and therefore executed by a computer or processor, whether or not shown. whether explicitly or not such a computer or processor.
На фиг. 2 представлена схема интерактивного медицинского фантома для отработки навыков проведения функциональных стереотаксических вмешательств с блоком принятия решения и модулем модификации стереотаксической томографии.In FIG. Figure 2 shows a diagram of an interactive medical phantom for practicing functional stereotaxic interventions with a decision block and a module for modifying stereotaxic tomography.
Фантом (10) имеет антропоморфную форму в виде головы, шеи и верхней части торса человека в натуральную величину. Фантом выполнен из пластика технологией 3D печати. В качестве основы для 3D моделирования фантома взяты нейровизуализационные данные магнитно-резонансной томографии и компьютерной томографии головы человека, которые предварительно анонимизированы, а черты лица удалены. Человек, данные нейровизуализации которого используют для проектирования фантома и учебных примеров, дает свое информированное согласие. Форма фантома точно воспроизводит желаемые характеристики человека. Кожу фантома моделирует силиконовый материал. На этапе проектирования фантома интракраниальные структуры удалены из объема фантома.The phantom (10) has an anthropomorphic shape in the form of a life-size human head, neck and upper torso. The phantom is made of plastic using 3D printing technology. As a basis for 3D modeling of the phantom, neuroimaging data of magnetic resonance imaging and computed tomography of the human head were taken, which were previously anonymized, and facial features were removed. The person whose neuroimaging data is used to design the phantom and training examples gives their informed consent. The shape of the phantom accurately reproduces the desired characteristics of a person. The skin of the phantom is modeled by a silicone material. At the phantom design stage, intracranial structures were removed from the phantom volume.
Интракраниальное пространство фантома представляет собой полость (11), объем которой соответствует объему головного мозга человека.The intracranial space of the phantom is a cavity (11), the volume of which corresponds to the volume of the human brain.
Интракраниально располагается система бесконтактной оценки позиционирования стереотаксического инструмента (12) так, чтобы рабочее поле (13) (область пространства, в которой можно бесконтактно определять координату объекта с требуемой точностью) соответствовало расположению анатомических структур (мишеней) в предполагаемой учебной стереотаксической операции. В качестве системы бесконтактной оценки позиционирования может выступать стереопара видеокамер, камеры глубины, система магнитного позиционирования и прочие устройства, позволяющие бесконтактно оценивать координаты объектов в исследуемом пространстве. В представленном варианте осуществления, система бесконтактной оценки позиционирования является системой стереозрения, оптические камеры которой располагаются в интракраниальном пространстве - области лицевого отдела черепа, что позволяет оценивать точность позиционирования стереотаксического инструмента в области базальных ядер головного мозга.The system for non-contact assessment of the positioning of the stereotaxic instrument (12) is located intracranially so that the working field (13) (a region of space in which the coordinate of an object can be determined without contact with the required accuracy) corresponds to the location of anatomical structures (targets) in the proposed training stereotaxic operation. A stereo pair of video cameras, depth cameras, a magnetic positioning system and other devices that allow contactless assessment of the coordinates of objects in the space under study can be used as a non-contact positioning assessment system. In the presented embodiment, the non-contact positioning assessment system is a stereo vision system, the optical cameras of which are located in the intracranial space - the region of the facial part of the skull, which allows assessing the positioning accuracy of the stereotaxic instrument in the region of the basal ganglia of the brain.
Система бесконтактной оценки позиционирования связана с блоком принятия решения (14) проводным или беспроводным способом. Стереотаксическая томография фантома, используемая для планирования учебной операции, предварительно обрабатывается модулем модификации стереотаксической томографии фантома (15), который встраивается в программное обеспечение томографа.The non-contact positioning evaluation system is connected to the decision block (14) by wire or wireless. The stereotaxic phantom tomography used for planning a training operation is pre-processed by the module for modifying the stereotaxic phantom tomography (15), which is built into the software of the tomograph.
На конвекситальной поверхности черепа парасагиттально располагаются две съемные площадки (16), моделирующие свод черепа в области наложения трепанационного отверстия в момент проведения учебной операции. Площадки выполнены из материала костной плотности, чтобы смоделировать процесс наложения трепанационного отверстия стандартными хирургическими инструментами (электротрепан, коловорот и прочее). После проведения учебной операции площадки заменяются на новые. В зависимости от поставленной клинической задачи, расположение съемных площадок на фантоме может варьироваться; в данном исполнении такое расположение позволяет планировать траекторию погружения стереотаксических инструментов в область базальных ганглиев, например, при отработке операций глубинной стимуляции мозга.On the convexital surface of the skull, two removable platforms (16) are located parasagitally, simulating the cranial vault in the area of the burr hole at the time of the training operation. The platforms are made of bone density material to simulate the process of applying a burr hole with standard surgical instruments (electric burr, brace, etc.). After the training operation, the sites are replaced with new ones. Depending on the clinical task, the location of the removable pads on the phantom may vary; in this version, such an arrangement allows planning the trajectory of immersion of stereotaxic instruments in the region of the basal ganglia, for example, when practicing deep brain stimulation operations.
В качестве стереотаксического инструмента (17) для фантома использована тонкая цилиндрическая втулка диаметром 2 мм, имеющая две цветные метки - одну на конце втулки, другую на расстоянии нескольких сантиметров от конца втулки. Определяя координаты меток на инструменте (17) системой бесконтактной оценки позиционирования (12), блок принятия решения (14) виртуально моделирует различные типы погружаемых стереотаксических канюль - криозонд, радиочастотный зонд, глубинные интракраниальные электроды и прочее.As a stereotaxic instrument (17) for the phantom, a thin cylindrical sleeve with a diameter of 2 mm was used, which has two colored marks - one at the end of the sleeve, the other at a distance of several centimeters from the end of the sleeve. Determining the coordinates of the marks on the instrument (17) by the non-contact positioning evaluation system (12), the decision block (14) virtually simulates various types of submersible stereotaxic cannulas - a cryoprobe, a radiofrequency probe, deep intracranial electrodes, and so on.
В представленном варианте осуществления фантома контрастные реперные метки регистрации фантома с учебными нейровизуализационными данными, далее метки регистрации (18), представляют собой сферы, располагающиеся по периметру в краниальном пространстве фантома. Положение меток в краниальном пространстве фантома известно, и выбирается на этапе проектирования фантома - на фиг. 3Б представлены их виртуальные аналоги (26) в пространстве нейровизуализационных данных. Метки являются бимодальными - выполнены из материала контрастного для визуализации методами как компьютерной, так и магнитно-резонансной томографии. Минимально необходимое количество реперных меток (точек привязки) равно трем. Метки используются во время калибровки фантома, а также в момент этапа модификации стереотаксической томографии фантома. Так, при проведении томографии фантому, на томограммах будут отчетливо визуализированы метки в краниальном пространстве фантома - на фиг. 4 этапа импорта данных стереотаксической томографии (28) представлена аксиальная томограмма фантома, на которой визуализировано интракраниальное пространство фантома, его краниальная часть, содержащая метки регистрации, а также фиксированная к голове фантома стереотаксическая рама с локализатором. Координаты центров сфер меток используются в качестве реперных элементов для совмещения пространства головы фантома с учебными нейровизуализационными данными различной модальности методом линейного аффинного преобразования (совмещения) по точкам.In the presented embodiment of the phantom, the contrast fiducial marks of registration of the phantom with training neuroimaging data, hereinafter the registration marks (18), are spheres located around the perimeter in the cranial space of the phantom. The position of the marks in the cranial space of the phantom is known and is chosen at the design stage of the phantom - in Fig. 3B shows their virtual counterparts (26) in the space of neuroimaging data. The labels are bimodal - they are made of a contrasting material for visualization by both computed and magnetic resonance imaging methods. The minimum required number of fiducial marks (anchor points) is three. The marks are used during the calibration of the phantom, as well as during the stage of modification of the phantom stereotaxic tomography. So, when performing a tomography of a phantom, marks in the cranial space of the phantom will be clearly visualized on the tomograms - in Fig. 4 stages of importing stereotaxic tomography data (28) presents an axial tomogram of the phantom, which visualizes the intracranial space of the phantom, its cranial part containing registration marks, as well as a stereotaxic frame fixed to the head of the phantom with a localizer. The coordinates of the centers of the marker spheres are used as reference elements to match the space of the phantom's head with training neuroimaging data of various modalities by the method of linear affine transformation (matching) by points.
На этапе производства фантома проводится калибровка фантома, подготавливаются учебные нейровизуализационные данные и клинические примеры (задачи).At the phantom production stage, the phantom is calibrated, training neuroimaging data and clinical examples (tasks) are prepared.
Под калибровкой понимается процесс привязки координатной системы учебных нейровизуализационных данных к физическому пространству головы фантома и внутренней системе координат системы бесконтактной оценки позиционирования стереотаксического инструмента, с сохранением полученных функций преобразования в блок принятия решения.Calibration is understood as the process of linking the coordinate system of training neuroimaging data to the physical space of the phantom head and the internal coordinate system of the non-contact positioning assessment system of the stereotaxic instrument, while saving the obtained transformation functions in the decision block.
На фиг. 3А показан этап калибровки фантома. Калибровка фантома начинается с установки интракраниальной калибровочной стойки (19), которая фиксируется на основании интракраниальной полости (11). Позиция калибровочной стойки предопределена на этапе проектирования фантома. Калибровочная стойка представляет собой цилиндрические стержни на едином основании. На стержнях располагаются не менее трех мишеней (20) в виде сфер. Размеры стержней проектируются так, чтобы после установки калибровочной стойки в фантом мишени (20) располагались в рабочем поле (13) системы бесконтактной оценки позиционирования. Координаты каждой из мишеней стойки в интракраниальном пространстве заранее известны относительно реперных меток регистрации (18) - определены на этапе проектирования фантома. Системой бесконтактной оценки позиционирования (12) определяются координаты каждой из мишеней. Данные координат мишеней (20) передаются в блок принятия решения, и по координатам трех точек в пространстве задается система координат физического пространства головы фантома (z, y, x). Так связываются внутренняя система координат системы оценки позиционирования и система координат физического пространства головы фантома. Калибровочная стойка извлекается из фантома.In FIG. 3A shows the phantom calibration step. Phantom calibration begins with the installation of the intracranial calibration stand (19), which is fixed on the base of the intracranial cavity (11). The position of the calibration stand is predetermined during the design phase of the phantom. The calibration rack consists of cylindrical rods on a single base. At least three targets (20) in the form of spheres are located on the rods. The dimensions of the rods are designed so that after the installation of the calibration rack in the phantom, the targets (20) are located in the working field (13) of the non-contact positioning assessment system. The coordinates of each of the rack targets in the intracranial space are known in advance relative to the registration fiducial marks (18) - determined at the phantom design stage. The non-contact positioning evaluation system (12) determines the coordinates of each of the targets. Target coordinate data (20) is transferred to the decision block, and the coordinate system of the physical space of the phantom head (z, y, x) is set according to the coordinates of three points in space. This is how the internal coordinate system of the position estimation system and the coordinate system of the physical space of the phantom's head are connected. The calibration stand is removed from the phantom.
Под подготовкой учебных нейровизуализационных данных понимается совмещение всех имеющихся нейровизуализационных модальностей головы человека, используемых при проектировании фантома, сегментация анатомических структур и требуемых ориентиров, а также классификация этих данных и сохранение их в блок принятия решения. На фигуре 3Б показаны различные сегментированные учебные нейровизуализационные данные в едином воксельном пространстве (k, i, j) - виртуальном пространстве головы фантомы. Учебные данные содержат медицинские изображения магнитно-резонансной томографии (21), компьютерной томографии, данные трактографии (22), данные сегментированных крупных сосудов головного мозга (23), маску всего мозга (24), маску всего объема головы (25), реперные метки регистрации (26) и другие модальности (анатомические структуры - мишени), требуемые для создания учебного задания.The preparation of training neuroimaging data is understood as the combination of all available neuroimaging modalities of the human head used in the design of the phantom, the segmentation of anatomical structures and the required landmarks, as well as the classification of these data and their storage in the decision block. Figure 3B shows various segmented training neuroimaging data in a single voxel space (k, i, j) - the virtual space of the phantom's head. Training data contains medical images of magnetic resonance imaging (21), computed tomography, tractography data (22), data of segmented large cerebral vessels (23), whole brain mask (24), whole head mask (25), registration fiducial marks (26) and other modalities (anatomical structures - targets) required to create a learning task.
Таким образом, по завершению этапа калибровки фантома и подготовки учебных нейровизуализационных данных имеется две системы координат, связанные между собой функциями преобразования: система координат (z, y, x) физического пространства головы фантома и система координат (k, i, j) пространства учебных нейровизуализационных данных (виртуального пространства головы фантома). Реперные метки регистрации (18) здесь являются ключевым элементом для связи этих двух пространств. Определяя координаты объекта в рабочем поле (13) системы бесконтактной оценки позиционирования (12), блок принятия решения (14), используя функции преобразования, вычисляет его координаты в виртуальном пространстве головы фантома (головного мозга человека).Thus, upon completion of the stage of phantom calibration and preparation of training neuroimaging data, there are two coordinate systems interconnected by transformation functions: the coordinate system (z, y, x) of the physical space of the phantom head and the coordinate system (k, i, j) of the training neuroimaging space. data (virtual space of the phantom head). The registration fiducials (18) here are the key element for linking these two spaces. Determining the coordinates of the object in the working field (13) of the non-contact positioning system (12), the decision block (14), using the transformation functions, calculates its coordinates in the virtual space of the phantom head (human brain).
Блок принятия решения (14) представляет собой персональный компьютер или любую другую электронно-вычислительную машину, или процессор с дисплеем, который соединен проводным или беспроводным способом к системе бесконтактной оценки позиционирования. Блок принятия решения хранит все нейровизуализационные данные головы человека из клинического примера и функции преобразования, а также созданные клинические задачи. Подготовка клинической задачи заключается в создании ряда логических проверок всех подготовленных классифицированных данных (стереотаксическая мишень, сосуд, функциональная зона мозга, желудочки мозга, мозг, тракты, данные стереотаксических атласов и прочее). Определив координату помещенного объекта в рабочее поле системы бесконтактной оценки позиционирования (13), блок принятия решения (14) определяет его позицию по отношению к классифицированным учебным данным нейровизуализации. Например, может определить находится ли этот объект в объеме требуемой анатомической мишени, насколько далеко от требуемой мишени, не пересекается ли траектория погружения инструмента с сосудами и функционально значимыми зонами мозга и прочее.The decision block (14) is a personal computer or any other electronic computer or processor with a display, which is connected by wire or wireless to the non-contact positioning evaluation system. The decision block stores all human head neuroimaging data from the clinical case and transform function, as well as the generated clinical tasks. The preparation of a clinical task consists in creating a series of logical checks of all prepared classified data (stereotaxic target, vessel, functional area of the brain, cerebral ventricles, brain, tracts, data from stereotaxic atlases, etc.). Having determined the coordinate of the placed object in the working field of the non-contact positioning assessment system (13), the decision block (14) determines its position in relation to the classified neuroimaging training data. For example, it can determine whether this object is located in the volume of the required anatomical target, how far from the required target, whether the trajectory of the instrument's immersion does not intersect with vessels and functionally significant areas of the brain, and so on.
Фактически, фантом имеет свою собственную независимую систему навигации, скрытую от хирурга. Этим достигается интерактивность работы фантома - возможность в реальном времени оценивать позицию стереотаксического инструмента в пространстве учебных нейровизуализационных данных. Определяя координаты меток на стереотаксическом инструменте (17) системой бесконтактной оценки позиционирования в интракраниальном пространстве фантома, блок принятия решения (14) вычисляет уравнение прямой, заданной по двум точкам в трехмерном пространстве. Таким образом, блок принятия решения вычисляет позицию стереотаксического инструмента и его траекторию в пространстве учебных нейровизуализационных данных. В зависимости от позиции стереотаксического инструмента (17) в интракраниальном пространстве фантома, блок принятия решения (14) выдает информацию о возможных клинических эффектах и побочных эффектах, путем оценки вовлечения анатомических структур подготовленных учебных данных нейровизуализации в смоделированном поле стереотаксического воздействия.In fact, the phantom has its own independent navigation system, hidden from the surgeon. This achieves the interactivity of the phantom operation - the ability to evaluate the position of the stereotaxic instrument in the space of training neuroimaging data in real time. Determining the coordinates of the marks on the stereotaxic instrument (17) by the non-contact positioning assessment system in the intracranial space of the phantom, the decision block (14) calculates the equation of a straight line given by two points in three-dimensional space. Thus, the decision block calculates the position of the stereotaxic instrument and its trajectory in the space of training neuroimaging data. Depending on the position of the stereotaxic instrument (17) in the intracranial space of the phantom, the decision block (14) provides information on possible clinical effects and side effects by evaluating the involvement of the anatomical structures of the prepared training neuroimaging data in the simulated stereotaxic exposure field.
Модуль модицификации стереотаксической томографии (15) - это программный модуль, который может быть встроен в программное обеспечение томографа, в программное обеспечение планирующей станции стереотаксического оборудования, в блок принятия решения, или может быть отдельным программным продуктом, установленным на персональном компьютере. На Фиг. 4 показана блок-схема, представляющая этапы обработки стереотаксической томографии фантома, используемые в модуле модификации стереотаксической томографии.The stereotaxic tomography modification module (15) is a software module that can be built into the software of the tomograph, into the software of the planning station of the stereotaxic equipment, into the decision block, or can be a separate software product installed on a personal computer. On FIG. 4 is a flowchart showing the processing steps of stereotaxic phantom imaging used in the modification module of stereotaxic tomography.
Входными данными для модуля являются стереотаксическая томография фантома, а также учебные нейровизуализационные данные томографии головы человека.The input data for the module are stereotaxic tomography of a phantom, as well as training neuroimaging data of human head tomography.
На начальном этапе (27), оператор томографа, выполняющий стереотаксическую томографию фантому, активизирует модуль модификации стереотаксической томографии. Сразу после проведения томографии фантому, данные томографии загружаются в память модуля модификации стереотаксической томографии (28). Следующим этапом (29) определяется модальность томографии, используемая для стереотаксической томографии фантома. Далее (30), методом компьютерного зрения, находятся паттерны интракраниальных меток регистрации и определяются их координаты. В модуле предварительно сохранены координаты соответствующих меток в пространстве подготовленных учебных нейровизуализационных данных. Метки регистрации тем самым являются реперным элементом для совмещения пространства локализационной томографии фантома и учебных нейровизуализационных данных головы человека методом афинных преобразований по точкам. Модуль вычисляет функцию преобразования (31). Далее с использованием функции преобразования, значение вокселей пространства стереотаксической томографии, соответствующих вокселям маски головы человека (32) заменяются на значения вокселей томографии головного мозга человека (33) той же модальности. Выходными данными модуля является модифицированная стереотаксическая томография, где вокселы интракраниального объема фантома заменены на значение вокселов учебных нейровизуализационные данных головного мозга человека, при этом экстракраниальные элементы локализатора сохраняются. Данные модифицированной стереотаксической томографии фантома экспортируются (34) для дальнейшего использования при планировании стереотаксической операции в качестве референтного изображения. Оператор отключает (35) модуль модификации стереотаксической томографии.At the initial stage (27), the operator of the tomograph performing stereotaxic tomography of the phantom activates the stereotaxic tomography modification module. Immediately after the phantom tomography is performed, the tomography data is loaded into the memory of the stereotaxic tomography modification module (28). The next step (29) determines the tomography modality used for stereotaxic tomography of the phantom. Further (30), using the computer vision method, patterns of intracranial registration marks are found and their coordinates are determined. The module has preliminarily saved the coordinates of the corresponding marks in the space of prepared training neuroimaging data. Registration marks are thus a reference element for combining the space of phantom localization tomography and educational neuroimaging data of the human head by the method of affine transformations by points. The module calculates the transformation function (31). Further, using the transformation function, the value of the voxels of the stereotaxic tomography space corresponding to the voxels of the human head mask (32) are replaced by the values of the voxels of the human brain tomography (33) of the same modality. The output of the module is a modified stereotaxic tomography, where the voxels of the intracranial phantom volume are replaced by the value of the voxels of the training neuroimaging data of the human brain, while the extracranial elements of the localizer are preserved. The data of the modified stereotaxic tomography of the phantom are exported (34) for further use in planning a stereotaxic operation as a reference image. The operator disables (35) the stereotaxic tomography modification module.
Ключевым элементом фантома являются метки регистрации (18). Они являются реперными элементами, связывающие учебные нейровизуализационные данные головного мозга человека, физическое пространство головы фантома, внутреннюю систему координат системы бесконтактной оценки позиционирования, а также пространство стереотаксической томографии фантома. В данном исполнении фантома показан частный случай использования меток в качестве реперных элементов регистрации, однако следует учитывать, что современные алгоритмы регистрации и обработки медицинских данных позволяют работать с интенсивностью изображения, формой контуров и краев изображения, а также поверхностей объемных моделей, построенных по данным нейровизуализации. Фактически реперным элементом совмещения дополнительно к меткам или вместо них может стать и внутренняя поверхность интракраниальной полости фантома, и другие неподвижные интракраниальные элементы конструкции фантома, контрастные на томограммах.The key element of the phantom is registration marks (18). They are reference elements that connect the training neuroimaging data of the human brain, the physical space of the phantom head, the internal coordinate system of the non-contact positioning assessment system, and the space of stereotaxic tomography of the phantom. This version of the phantom shows a special case of using marks as registration reference elements, however, it should be taken into account that modern algorithms for recording and processing medical data make it possible to work with image intensity, the shape of image contours and edges, as well as surfaces of volumetric models built according to neuroimaging data. In fact, the inner surface of the intracranial cavity of the phantom, and other fixed intracranial elements of the phantom construction, which are contrasting on tomograms, can become the reference element of alignment in addition to or instead of the marks.
На фиг. 5 проиллюстрирован способ имитации интракраниального пространства фантома нейровизуализационными данными человеческого мозга при проведении обучающей стереотаксической операции, содержащий этапы, на которых хирург получает клиническую задачу (36). На фантом закрепляют стереотаксическую раму с локализатором стандартным способом (37). Фантому с локализатором проводится стереотаксическая томография (38). Полученная локализационная томограмма проходит обработку (39) в модуле модификации стереотаксической томографии, где скрытно от хирурга происходит замена краниального и интракраниального объема фантома на учебные нейровизуализационные данные головного мозга человека с сохранением экстракраниальных элементов (реперных ориентиров) локализатора. Далее хирург осуществляет стереотаксическое планирование операции (40) с применением стандартных программных средств, совместимых с используемым стереотаксическим оборудованием, где в качестве референтного изображения используется модифицированная стереотаксическая томография. Далее проводится стереотаксическая операция (41) согласно методологии используемого стереотаксического оборудования: после наложения трепанационного отверстия в спланированной точке входа, с использованием манипулятора, стереотаксический инструмент погружается по спланированной траектории в требуемую мишень. На следующем этапе (42), блок принятия решения в режиме реального времени интраоперационно производит оценку эффективности операции путем сравнения положения стереотаксического инструмента в пространстве учебных нейровизуализационных данных головного мозга человека и по окончанию учебного сеанса выставляет балльную оценку.In FIG. 5 illustrates a method for simulating the intracranial space of a phantom with human brain imaging data during a training stereotaxic operation, containing the steps in which the surgeon receives a clinical task (36). A stereotaxic frame with a localizer is attached to the phantom in the standard way (37). A phantom with a localizer undergoes stereotaxic tomography (38). The resulting localization tomogram is processed (39) in the stereotaxic tomography modification module, where the cranial and intracranial volume of the phantom is replaced secretly from the surgeon with training neuroimaging data of the human brain, while preserving the extracranial elements (reference landmarks) of the localizer. Next, the surgeon performs stereotaxic planning of the operation (40) using standard software tools that are compatible with the stereotaxic equipment used, where modified stereotaxic tomography is used as a reference image. Next, a stereotaxic operation (41) is performed according to the methodology of the used stereotaxic equipment: after applying a burr hole at the planned entry point, using a manipulator, the stereotaxic instrument is immersed along the planned trajectory into the required target. At the next stage (42), the real-time decision-making unit intraoperatively evaluates the effectiveness of the operation by comparing the position of the stereotaxic instrument in the space of training neuroimaging data of the human brain and, at the end of the training session, assigns a score.
Пример осуществления способа.An example of the implementation of the method.
Хирург получает клиническую задачу: пациент 53 лет с диагнозом болезнь Паркинсона смешанная форма, III ст. по Хен-Яру с выраженными моторными флуктуациями. Жалобы: на чувство скованности, тремор рук, усиливающийся вне действия препаратов Леводопы.The surgeon receives a clinical task: a 53-year-old patient with a diagnosis of Parkinson's disease, mixed form, stage III. according to Hen-Yar with pronounced motor fluctuations. Complaints: a feeling of stiffness, hand tremor, aggravated outside the action of Levodopa preparations.
Исходя из условий задачи, хирург принимает решение, что оптимальной стереотаксической мишенью для лечебного воздействия является субталамическое ядро, а метод лечения - хроническая глубинная стимуляция мозга. Хирург применяет классический рамный стереотаксис с N-образным локализатором. С использованием стандартной четырехточечной фиксации хирург закрепляет на голове фантома стереотаксическую раму. На стереотаксическую раму фиксируется локализатор. Далее, фантому с закрепленным локализатором выполняется компьютерная томография. Оператор компьютерного томографа активизирует режим «фантом», то есть активизирует модуль модификации стереотаксической томографии. Тем самым, скрытно от хирурга, сразу после проведения исследования производится модификация стереотаксической томографии. Фактически, хирург получает томографию головы человека с закрепленным локализатором.Based on the conditions of the problem, the surgeon decides that the optimal stereotaxic target for therapeutic effects is the subthalamic nucleus, and the treatment method is chronic deep brain stimulation. The surgeon uses a classic frame stereotaxis with an N-shaped localizer. Using a standard four-point fixation, the surgeon attaches a stereotaxic frame to the phantom's head. The localizer is fixed on the stereotaxic frame. Next, a phantom with a fixed localizer is performed computed tomography. The CT scanner operator activates the "phantom" mode, that is, activates the stereotaxic tomography modification module. Thus, hidden from the surgeon, immediately after the study, a modification of stereotaxic tomography is performed. In fact, the surgeon receives a tomography of the head of a person with a fixed localizer.
Полученные данные модифицированной стереотаксической томографии хирург загружает в планирующую станцию, входящую в комплект стереотаксической рамы. Далее выполняет обычные действия планирования стереотаксической операции на головном мозге человека - используя стандартные средства планирования, основываясь на методологии стереотаксического наведения, планирует будущую траекторию погружения глубинных электродов в стереотаксичекую мишень и получает данные, которые он должен выставить на шкалах стереотаксического аппарата в операционной.The obtained data of the modified stereotaxic tomography is loaded by the surgeon into the planning station included in the set of the stereotaxic frame. Then he performs the usual actions of planning a stereotaxic operation on the human brain - using standard planning tools, based on the methodology of stereotaxic guidance, he plans the future trajectory of immersion of deep electrodes into a stereotaxic target and receives data that he must set on the scales of the stereotaxic apparatus in the operating room.
Далее проводится стереотаксическая операция на фантоме. Хирург производит наложение трепанационного отверстия в запланированной точке входа, выставляя шкалы манипулятора, направляет стереотаксический инструмент в запланированную мишень. Как только активный конец инструмента попадет в рабочее поле системы бесконтактной оценки позиционирования, блок принятия решения начинает оценивать возможный эффект воздействия. Так, допустим, что выяснилось, что активный конец инструмента сместился от «идеальной» для данной задачи целевой мишени более латерально, и находится близко к внутренней капсуле мозга. Блок принятия решения выдает предупреждающий сигнал хирургу, что у пациента наблюдается стягивание мышц лица, и оптимального лечебного эффекта (снижение тремора и ригидности мышц) добиться не удается. Учитывая эти данные, хирург принимает решение сместить на 1 мм медиально позицию стереотаксического инструмента. В конце учебной операции хирург получает баллы, основанные на правильности выбора стереотаксической мишени, точности попадания в запланированную мишень, адекватности построения стереотаксической траектории. При абсолютно неверном решении хирурга -планирование траектории через крупный кровеносный сосуд, блок принятия решения выдает информацию о фатальных витальных расстройствах у пациента и экзамен досрочно заканчивается.Next, a stereotaxic operation is performed on the phantom. The surgeon places a burr hole at the planned entry point, setting the scales of the manipulator, directs the stereotaxic instrument to the planned target. As soon as the active end of the tool enters the working field of the non-contact positioning evaluation system, the decision block begins to evaluate the possible effect of the impact. So, let's say that it turned out that the active end of the tool has shifted more laterally from the "ideal" target for this task, and is close to the internal capsule of the brain. The decision block alerts the surgeon that the patient is experiencing facial tightening and that the optimal therapeutic effect (reduction of tremor and muscle stiffness) cannot be achieved. Given these data, the surgeon decides to shift the position of the stereotaxic instrument medially by 1 mm. At the end of the training operation, the surgeon receives points based on the correct choice of the stereotaxic target, the accuracy of hitting the planned target, and the adequacy of building the stereotaxic trajectory. If the surgeon's decision is absolutely wrong - planning a trajectory through a large blood vessel, the decision-making block gives information about fatal vital disorders in the patient and the exam ends ahead of schedule.
Стереотаксис является пограничной дисциплиной, которая развивается на стыке нейрофизиологии, нейроанатомии, нейрохирургии, неврологии, методов нейровизуализации и вычислительной техники. На данный момент не существует универсального метода отработки навыков проведения стереотаксических операций ввиду специфики таких вмешательств и наличия множества типов стереотаксических устройств. Принципы изобретения, представленные в текущей заявке, позволяют приблизить методологию проведения учебной стереотаксической операции к реальному хирургическому вмешательству на головном мозге человека. Фантом имеет антропоморфные свойства не только в отношении внешних признаков, но и во внутримозговом пространстве (виртуальном), в котором хирург планирует операцию. Фантом совместим с любым экстракраниальным типом локализаторов, так как методология модификация стереотаксической томографии фантома, предполагает подмену только краниально-интракраниального объема нейровизуализационных данных фантома. Полученная модифицированная томограмма фантома совместима с планирующими станциями стереотаксического оборудования. Наличие бимодальных интракраниальных меток регистрации позволяет проводить фантому как МРТ, так и КТ стереотаксическую разметку. Наличие съемных площадок для наложения трепанационных отверстий (расходных материалов), позволяет каждый раз хирургу делать выбор позиции точки наложения отверстия в черепе. Каждая последующая операция требует заново проводить этап закрепления стереотаксической рамы, тем самым, заново проводить стереотаксические расчеты. Фантом позволяет интерактивно моделировать интраоперационную клиническую картину в зависимости от того как правильно хирург выбрал стереотаксическую мишень для воздействия, спланировал стереотаксическую траекторию и как точно попал в запланированную мишень, тем самым, ставя хирурга перед выбором дальнейшей тактики действия. Виртуальное моделирование стереотаксического воздействия позволяет создавать множество клинических задач из различного спектра нейрохирургической патологии (операции глубинной стимуляции мозга, стереотаксической биопсии опухоли, термодеструкции и прочее) и зависит от количества заранее подготовленных данных нейровизуализации для фантома. Результатом использования фантома является отработка навыков проведения функциональных стереотаксических вмешательств с использованием различных видов стереотаксических устройств и клинических задач. Фантом может быть применен в центрах обучения стереотаксическим методам.Stereotaxis is a borderline discipline that develops at the intersection of neurophysiology, neuroanatomy, neurosurgery, neurology, neuroimaging methods and computer technology. At the moment, there is no universal method for mastering the skills of performing stereotaxic operations due to the specifics of such interventions and the presence of many types of stereotaxic devices. The principles of the invention presented in the current application make it possible to bring the methodology of a training stereotaxic operation closer to a real surgical intervention on the human brain. The phantom has anthropomorphic properties not only in relation to external signs, but also in the intracerebral space (virtual) in which the surgeon plans the operation. The phantom is compatible with any extracranial type of localizers, since the methodology for modifying the phantom stereotaxic tomography involves replacing only the cranial-intracranial volume of the phantom neuroimaging data. The resulting modified tomogram of the phantom is compatible with planning stations of stereotaxic equipment. The presence of bimodal intracranial registration marks allows the phantom to be both MRI and CT stereotactic marking. The presence of removable sites for the imposition of trepanation holes (consumables) allows the surgeon to choose the position of the point of imposition of the hole in the skull each time. Each subsequent operation requires re-performing the stage of fixing the stereotaxic frame, thereby re-performing stereotaxic calculations. The phantom allows you to interactively simulate the intraoperative clinical picture, depending on how the surgeon correctly chose the stereotaxic target for exposure, planned the stereotaxic trajectory, and how exactly he hit the planned target, thus putting the surgeon before choosing further tactics of action. Virtual modeling of stereotaxic exposure allows creating many clinical tasks from a different spectrum of neurosurgical pathology (deep brain stimulation operations, stereotaxic tumor biopsy, thermal destruction, etc.) and depends on the amount of pre-prepared neuroimaging data for the phantom. The result of the use of the phantom is the development of skills for performing functional stereotaxic interventions using various types of stereotaxic devices and clinical tasks. The phantom can be used in stereotaxic training centers.
При интерпретации предлагаемой формулы изобретения следует понимать, что:When interpreting the proposed claims, it should be understood that:
1) формулировка «содержащий» не исключает присутствие других элементов и этапов, кроме тех, которые перечислены в пунктах формулы изобретения;1) the wording "comprising" does not exclude the presence of other elements and steps other than those listed in the claims;
2) признак единственного числа не исключает присутствия множества упомянутых элементов.2) the sign of the singular does not exclude the presence of a plurality of the mentioned elements.
3) для описания принципов изобретения используется классическая методология проведения операции рамного стереотаксиса, однако следует понимать, что фантом совместим с различным стереотаксическим оборудованием, включая системы безрамного стереотаксиса и стереотаксические роботизированные системы, в которых методология стереотаксической разметки, планирования и наведения могут отличаться.3) to describe the principles of the invention, the classical methodology for performing a frame stereotaxis operation is used, however, it should be understood that the phantom is compatible with various stereotaxic equipment, including frameless stereotaxis systems and stereotaxic robotic systems, in which the methodology of stereotaxic marking, planning and guidance may differ.
Выше представлено описание предпочтительного варианта осуществления (которые следует считать иллюстративными, но не ограничивающими) для интерактивного медицинского фантома для отработки навыков проведения функциональных стереотаксических вмешательств, однако следует отметить, что с учетом вышеописанных принципов специалистами в данной области техники могут быть созданы модификации и изменения. Поэтому следует понимать, что в раскрытые конкретные варианты осуществления изобретения могут быть внесены изменения, которые находятся в плоскости объема раскрытых здесь вариантов осуществления, обозначенного прилагаемой формулой изобретения.The above is a description of a preferred embodiment (which should be considered illustrative, but not limiting) of an interactive medical phantom for practicing functional stereotaxic interventions, however, it should be noted that modifications and changes may be made by those skilled in the art based on the principles described above. Therefore, it should be understood that changes can be made to the disclosed specific embodiments of the invention that are in the plane of the scope of the embodiments disclosed here, indicated by the appended claims.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2023/000008 WO2023239257A1 (en) | 2022-06-06 | 2023-01-13 | Interactive medical phantom |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2790761C1 true RU2790761C1 (en) | 2023-02-28 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2130759C1 (en) * | 1997-12-23 | 1999-05-27 | Аничков Андрей Дмитриевич | Method for directing stereotactic instrument to a target point |
| RU114208U1 (en) * | 2011-09-08 | 2012-03-10 | Даниил Сергеевич Смирнов | SKULL LAYOUT WITH INTRIAL CRANIAL GUIDELINES FOR RESEARCH OF POSSIBILITIES OF COMBINED USE OF FRAMELESS NEURONAVIGATION AND STEREOTAXIC DEVICE E.I. CHANDEL |
| US20180211568A1 (en) * | 2017-01-25 | 2018-07-26 | University Of Virginia Patent Foundation | System, method and computer readable medium for quantifying anatomical device deformation under load |
| RU199805U1 (en) * | 2020-03-13 | 2020-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мозга человека им. Н.П. Бехтеревой Российской академии наук | Device for simulating stereotaxic neurosurgical interventions |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2130759C1 (en) * | 1997-12-23 | 1999-05-27 | Аничков Андрей Дмитриевич | Method for directing stereotactic instrument to a target point |
| RU114208U1 (en) * | 2011-09-08 | 2012-03-10 | Даниил Сергеевич Смирнов | SKULL LAYOUT WITH INTRIAL CRANIAL GUIDELINES FOR RESEARCH OF POSSIBILITIES OF COMBINED USE OF FRAMELESS NEURONAVIGATION AND STEREOTAXIC DEVICE E.I. CHANDEL |
| US20180211568A1 (en) * | 2017-01-25 | 2018-07-26 | University Of Virginia Patent Foundation | System, method and computer readable medium for quantifying anatomical device deformation under load |
| RU199805U1 (en) * | 2020-03-13 | 2020-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мозга человека им. Н.П. Бехтеревой Российской академии наук | Device for simulating stereotaxic neurosurgical interventions |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7072705B2 (en) | Apparatus and methods of brain shift compensation and applications of the same | |
| Finnis et al. | Three-dimensional database of subcortical electrophysiology for image-guided stereotactic functional neurosurgery | |
| KR100897528B1 (en) | Method of determining the position of a deep brain stimulation electrode | |
| KR101531620B1 (en) | Method of and system for overlaying nbs functional data on a live image of a brain | |
| US10828107B2 (en) | Mixed reality training system | |
| Gargiulo et al. | New directions in 3D medical modeling: 3D‐printing anatomy and functions in neurosurgical planning | |
| Vaillant et al. | A path-planning algorithm for image-guided neurosurgery | |
| GB2570539A (en) | Flourescence training simulator | |
| Segato et al. | Position-based dynamics simulator of brain deformations for path planning and intra-operative control in keyhole neurosurgery | |
| Dong et al. | Regional-surface-based registration for image-guided neurosurgery: effects of scan modes on registration accuracy | |
| Gharabaghi et al. | Volumetric image guidance for motor cortex stimulation: integration of three-dimensional cortical anatomy and functional imaging | |
| RU2790761C1 (en) | Interactive medical phantom for practicing functional stereotaxic interventions | |
| Vikal et al. | Perk Station—Percutaneous surgery training and performance measurement platform | |
| Pallavaram et al. | A new method for creating electrophysiological maps for DBS surgery and their application to surgical guidance | |
| US20220354579A1 (en) | Systems and methods for planning and simulation of minimally invasive therapy | |
| WO2023239257A1 (en) | Interactive medical phantom | |
| Miga et al. | Intraoperative registration of the liver for image-guided surgery using laser range scanning and deformable models | |
| Linte et al. | Image-guided procedures: tools, techniques, and clinical applications | |
| Nowinski | and Functional Neurosurgery | |
| Wu et al. | Process analysis and application summary of surgical navigation system | |
| US20220296308A1 (en) | Directional-device intrabody placement systems and related methods | |
| CN115775611B (en) | Puncture operation planning system | |
| Bichlmeier et al. | The visible korean human phantom: Realistic test & development environments for medical augmented reality | |
| EP3694600A1 (en) | Proficiency assessment system and method for deep brain stimulation (dbs) | |
| CN113240645B (en) | Display processing method, device, storage medium, processor and terminal equipment |