История развития навигационных систем

В 1905 г. R. Clarke и V. Horsley [3] создали первую стереотаксическую металлическую раму, а в 1908 г. опубликовали метод прямолинейного топографического картирования мозга макаки вида резус. Перед исследователями встала проблема несоответствия в картировании структур черепа и головного мозга в плоскостной проекции, единственным выходом из которой послужило создание 3D-анатомической структуры. Для этого использовались 2-миллиметровые срезы замороженного головного мозга макаки и крысы, что позволяло воссоздать объемную структуру в картезианской системе координат. В дальнейшем этот принцип был реализован неинвазивно с помощью метода компьютерной томографии. Рама Clarke-Horsley подходила для нейрофизиологических исследований, однако была неприменима для нейрохирургических вмешательств ввиду своей громоздкости и необходимости фиксации с помощью игл. Канадский нейрофизиолог Mussen модифицировал раму Clarke-Horsley в 1918 г., создав крепления для рамы, фиксирующиеся в наружных слуховых проходах и за нижние края орбит, что позволило точно воздействовать электрическими импульсами на таламические ядра и стало толчком в развитии нейрофизиологии. Качественный этап в развитии внутричерепной навигации совершил H. Cushing, в 1914 г. использовавший рентгенографический метод для расчета хирургических подходов к гипофизу. Идея использования компьютера для навигирования генератора рентгеновского излучения разрабатывалась в 60-е годы американским инженером и неврологом W. Oldendorf, предложившим использовать вращающийся рентгеновский аппарат для создания многочисленных изображений головного мозга с последующим математическим расчетом полученных данных для реконструкции объемных структур [4]. Впервые возможность создания изображения поперечного среза головного мозга воплотил в жизнь английский инженер G. Hounsfield в 1972 г., созданные на основе этой революционной технологии КТ-сканеры в течение 3 лет широко распространились по миру, позволяя выполнять неинвазивную диагностику внутричерепных структур, в противоположность крайне болезненному и опасному методу пневмоэнцефалографии. В это же время развивается и технология МРТ. В 1987 г. японский нейрохирург E. Watanabe [5] опубликовал статью с описанием работы системы «Neuronavigator», созданной им и его командой в Tokyo General Hospital и примененной для резекции опухолей головного мозга. Новая методика безрамочной навигации, основывавшаяся на использовании роботизированной механической руки, соединенной с компьютером, содержащим томографические данные пациента, позволяла уйти от необходимости многочасовой фиксации головы пациента металлическими иммобилайзерами, что доставляло значительный дискомфорт пациентам и затягивало время предоперационной подготовки, при этом методика рамочной навигации являлась не настоящей навигационной системой, а скорее, вариантом расчета «баллистического» доступа и требовала сложных тригонометрических вычислений. Система «Neuronavigator» допускала ошибку до 10 мм, требовала постоянного присутствия инженера в операционной, а компьютер хранил не более 8 томографических срезов. Дорогая и недостаточно точная эта система не вышла на международный рынок, однако ее появление ознаменовало появление компьютер-ассистированной навигации. Дальнейшее развитие этой технологии позволило использовать принципы навигации не только в нейрохирургии, но и в оториноларингологии, и челюстно-лицевой хирургии. Внедренная W. Messerklinger в Австрии, а затем и по всему миру и ставшая «золотым стандартом» методика эндоскопической хирургии в сочетании с возможностями навигационных систем значительно повысила эффективность и безопасность операций на голове и шее. Представленная в 1993 г. [6] в Аахене (Германия) методика видео-ассистированной хирургии основания черепа и челюстно-лицевой зоны открыла новые горизонты в развитии соответствующих специальностей. В дальнейшем S. Vilsmeier, программист-самоучка из Германии, заложил основы 3D-моделирования изображения в навигационных системах, что было развито компанией «BrainLAB» и через несколько лет широко реализовано в навигационных станциях по всему миру. В производство навигационных станций включились такие крупные компании, как «Phillips», «Radionics», «Medtronic», «GE Healthcare», однако все эти навигационные системы основывались на оптических принципах и были чрезвычайно дороги. В 1999 г. B. Lombard разработал DigiPointeur — электромагнитную навигационную систему с регистрацией поверхностных маркеров операционного поля, что расширило возможности интраоперационного навигирования [7].

Физические принципы работы и варианты устройства навигационных систем

Принцип работы навигационной системы заключается в создании 3D-изображения навигируемых структур в режиме реального времени за счет постоянной детекции инструмента, имеющего встроенные сенсоры или являющегося таковым, в системе координат навигационного оборудования, которая соотнесена с анатомическими структурами пациента. В результате на экране монитора системы формируется позиционирование инструмента среди анатомических структур, информация о которых предварительно была загружена в систему в виде сведений компьютерной/магнитно-резонансной томографии. На сегодняшний день распространены 2 типа навигационных систем: оптические и электромагнитные (ЭМ).

Как оптические, так и электромагнитные навигационные системы состоят из следующих функциональных блоков:

1. Блок-система навигации:

компьютерный блок необходимой конфигурации;

специализированное программное обеспечение для каждой анатомической локализации, позволяющее осуществлять высокопроизводительную обработку 3D-изображений.

2. Модуль визуализации:

сенсорный монитор хирурга;

опционально-дополнительный экран ассистента.

3. Модуль регистрации положения объекта и локализации инструментов:

комплекс инфракрасных камер (стойка);

электромагнитный модуль.

4. Наборы инструментов под функциональную область:

наборы с электромагнитными датчиками для использования в электромагнитном режиме;

наборы с маркерами для использования в оптическом режиме.

Таким образом, в любой системе различают излучатель (оптический или электромагнитный), трекер (система отслеживания положения) пациента и навигируемый инструментарий.

Физической основой функционирования оптической навигационной системы является регистрация инфракрасного излучения камерой.

Камера направляется в сторону операционного поля и инфракрасные лучи, излучаемые камерой, падают на рабочий инструмент хирурга. Навигируемый хирургический инструмент оборудован специальными сферами-маркерами. Аналогичными маркерами снабжен трекер пациента. Излученный камерой сигнал отражается от этих маркеров и попадает обратно в камеру. По углу отражения сигнала система определяет местоположение и угол наклона инструмента. Используемый при этом процесс триангуляции схож с принципом, используемым в GPS-навигации.

При использовании ЭМ-локализации инфракрасная камера заменяется компактным источником низкочастотного ЭМ-поля. Навигируемый инструмент, находящийся в этом поле, распознается и отображается навигационной системой.

Преимуществом применения некоторых навигационных станций (рис. 1)

является заранее вложенный в программное обеспечение виртуальный образ оборудования, спроектированного для данной конкретной системы, что позволяет снизить уровень ошибки.

Основные положения при использовании навигационных систем

Основной целью навигационной системы является усиление визуальных и тактильных возможностей хирурга с помощью виртуальной картины. Безусловно, как и любая машина, навигационная система может давать ошибочную информацию, выходом из этой ситуации является постоянный критический анализ визуального изображения хирургом. Современные навигационные станции допускают ошибку в определении позиции инструмента порядка 0,6 мм, что вызвано рядом неизбежно возникающих физических ограничений. Во-первых, это связано с неабсолютным моделированием всех анатомических тонкостей пациента системой, что само по себе является сложной технологической задачей и зависит от качества исходных КТ/МРТ-данных, загружаемых в систему. Источником «шума» являются также смещение пациента во время операции, связанное с позиционированием конкретных частей его тела, несовершенство программного обеспечения, погрешности приема и обработки сигнала и неточности при регистрации контрольных точек во время калибровки, металлические инструменты, расположенные между эмиттером и датчиками инструмента и пациента.

Точность отображения анатомических структур может меняться в течение операции, что требует регулярной проверки калибровки системы с использованием доступных маркеров регистрации, которыми являются, как правило, костные структуры челюстно-лицевого скелета черепа. Первичная калибровка проводится перед операцией и далее выполняется по мере необходимости, как только хирург замечает различия между изображением локализации инструмента, генерируемым навигационной системой, и реальным его расположением. Разумеется, безукоризненное знание анатомии является обязательной составляющей для успешного выполнения вмешательства.

Нежелательно использование длинных гибких инструментов, так как в зависимости от приложенного к ним физического усилия изменяется их геометрия и, соответственно, точность отображения виртуального образа навигируемого инструмента. Это особенно важно в хирургии лобных пазух, где манипуляции связаны с оказанием физического усилия на плечо длинных инструментов.

К данным КТ, загружаемым в систему, предъявляются следующие требования:

— Рекомендованная толщина КТ-срезов колеблется от 0,4 до 1 мм, при этом бо́льшая толщина срезов уменьшает точность навигирования, меньшая приводит к увеличению лучевой нагрузки без значимой прибавки в точности.

— Поле исследования — 190—210 мм, при этом нижней границей поля является твердое небо во избежание артефактов от зубов, верхняя граница устанавливается на 35 мм выше назиона. Смещение верхней границы выше указанной линии также приводит к увеличению лучевой нагрузки без значимой прибавки в точности.

— Отсутствие наклона оси исследуемой зоны относительно гентри аппарата КТ (наклон 0 градусов) во избежание нарушений пространственной ориентации в декартовой системе координат.

— Отсутствие наложения срезов КТ для однородности пространственного разрешения формируемых данных пациента.

— Загружаемые данные должны быть записаны в формате DICOM.

— Возможно использование как данных конусно-лучевой компьютерной томографии (КЛКТ), так и мультиспиральной (МСКТ) томографии. КЛКТ обеспечивает превосходное разрешение, однако хуже отображает рентгенологическую плотность исследуемой структуры (1024 градации серого у КЛКТ против 4096 градаций у МСКТ), хотя обычно этот параметр не является решающим в выборе типа КТ [7].

Следует отметить возможность слияния данных КТ и МРТ пациента (режим «fusion») в навигационной системе, что применяется при планировании оперативных вмешательств по поводу новообразований. Таким образом, точность регистрационных данных относительно неподвижных костных структур, получаемых благодаря КТ, и данные МРТ о распространенности мягкотканного процесса позволяют увеличить прецизионность резекции.

Возможности использования навигационных систем в оперативном лечении новообразований полости носа и околоносовых пазух

Навигационные системы активно используются для визуализации объемных патологических процессов, в том числе новообразований в структурах головы и шеи, однако, учитывая технические особенности и принципы навигирования, существуют особенности их применения. В случае злокачественных новообразований важную роль в аспекте повышения радикальности оперативного лечения и уменьшения риска рецидива опухоли играет оценка края резекции, которая основывается на клинико-рентгенологических данных, степени распространенности процесса и вовлеченности окружающих структур, биологических свойствах опухоли. Определенно, резекция злокачественных опухолей проводится в пределах здоровых тканей, однако навигационные системы могут повысить ее прецизионность. Учитывая суммарную возможную ошибку навигирования инструментов в пределах 0,6 мм в современных системах, это расстояние должно быть учтено при удалении патологических тканей в сторону увеличения радикальности вмешательства, что особенно важно при инвазивном росте опухоли, когда данные эндоскопической визуализации и КТ/МРТ могут не согласовываться. Безусловно, решающим фактором в выборе объема резекции является совокупность диагностических и интраоперационных данных, а не только позиция инструментария в навигируемом поле в области предполагаемого края опухоли.

На кафедре оториноларингологии с клиникой ПСПБГМУ им. акад. И.П. Павлова в период с 2013 по 2018 г. под контролем навигационного оборудования выполнено 298 хирургических вмешательств. Из них подавляющее большинство составили операции на структурах полости носа и околоносовых пазух — 293. Также было выполнено 5 эндоскопических вмешательств на гортани, на основании которых был запатентован способ эндоскопической хирургической операции на гортани под контролем навигационной системы. Среди ринологических оперативных вмешательств, выполненных с помощью компьютер-ассистированной техники, лидирующее место занимает эндоназальное удаление остеом околоносовых пазух — 112. За указанный период хирургическое лечение получили 68 пациентов с изолированным фронтитом, 74 пациента с различными формами полисинуситов, вовлекающих в том числе лобную пазуху. Гораздо реже требуется применение навигационного оборудования при вмешательствах на верхнечелюстной пазухе и решетчатом лабиринте. В нашем опыте ревизионные эндоназальные гайморотомии выполнены 9 пациентам, 13 пациентам таким способом удалены инородные тела максиллярного синуса, 6 — выполнена этмоидотомия по поводу расположенного в решетчатом лабиринте мукоцеле, 4 пациентам с повторными операциями на слезном мешке также потребовалось применение навигационного оборудования. Из доброкачественных новообразований, помимо остеом, в нашем опыте есть 1 инвертированная папиллома лобной пазухи и 1 фиброзная дисплазия верхнечелюстной пазухи. Злокачественных новообразований таким способом в нашей клинике удалено 3. Среди редких нозологий в нашем опыте присутствуют удаление инородного тела лобной кости (фрагмент сверла для трепанации лобной кости) и оссифицирующая фиброма носоглотки.

Клинический пример

Пациентка А., 60 лет, поступила в клинику оториноларингологии Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. акад. И.П. Павлова для выполнения ревизионной операции по поводу хронического полипозного риносинусита. Из анамнеза известно, что более 10 лет страдает полипозным риносинуситом, отмечает стойкое затруднение носового дыхания, больше справа, консервативное лечение назальными деконгестантами, топическими стероидами малоэффективно. Ранее трижды выполнялись петлевые полипотомии, в 2009 г. — эндоскопическая правосторонняя гайморотомия, полипэтмоидотомия в условиях общей анестезии.

Объективно: при передней риноскопии слизистая оболочка полости носа умеренно гиперемирована, отечна, правая половина полости носа выполнена полипозной тканью. При задней риноскопии свод носоглотки свободный, правая хоана выполнена полипозной тканью. Со стороны других ЛОР-органов без патологии.

По данным МСКТ околоносовых пазух от 16.04.15: правая половина лобной пазухи, клетки решетчатого лабиринта (преимущественно передние и средние отделы), субтотально правая верхнечелюстная пазуха (ВЧП) выполнены патологической гиперпластически измененной (полипозной) тканью. Пневматизация указанных отделов резко снижена. Соустье правой ВЧП и правое носолобное соустье без признаков проходимости. В левой ВЧП отмечается пристеночное утолщение слизистой оболочки в нижней трети, толщиной 10—12 мм; соустье левой ВЧП сужено, но дифференцируется. Патологическая ткань пролабирует в полость носа справа, приводя к выраженному снижению проходимости носовых ходов справа. Носовая перегородка прослеживается фрагментарно, без значимого отклонения от средней линии (рис. 2).

11.09.15 в условиях общей анестезии и управляемой гипотонии под контролем ригидных эндоскопов различных углов обзора выполнены эндоскопическая правосторонняя гайморотомия, полипэтмоидотомия, фронтотомия, тщательно отсепарованы и удалены патологические ткани полости носа и околоносовых пазух с помощью щипцов Блэксли, микродебридера и алмазного бора различных углов (рис. 3 и 4).

Операция проводилась под контролем электромагнитной навигационной системы.

Удалено белесое новообразование, из разных участков околоносовых пазух на патоморфологическое исследование направлено несколько фрагментов.

Послеоперационный период протекал без осложнений, пациентка получала системную антибактериальную терапию, отмечала восстановление носового дыхания, выписана из стационара на 5-е сутки.

По результатам патоморфологического исследования от 15.09.15: отечная фиброзная ткань покрыта гиперплазированным многорядным реснитчатым эпителием с очаговой метаплазией по типу переходно-клеточной, с хроническим воспалением с признаками обострения (рис. 5).

Патологоанатомический диагноз: инвертированная переходно-клеточная папиллома.

Пациентке рекомендованы контрольные эндоскопии каждые 6 мес, повторные КТ околоносовых пазух. По результатам наблюдения на декабрь 2018 г. объективных данных за рецидив неопластического процесса не получено (рис. 6, рис.

7, рис.

8).

Заключение

Развитие навигационных систем является качественным этапом в эволюции медицинских знаний. Интуитивно понятный интерфейс навигационных станций позволяет как начинающим, так и опытным хирургам достигать уверенного интраоперационного контроля за манипуляциями. В аспекте удаления новообразований навигационные станции могут обеспечить повышение радикальности резекции при максимально щадящем доступе, что является основой функциональной риносинусохирургии. Современные системы способны распознавать сосудистые и нервные структуры внутри объема тканей на пути инструмента, благодаря чему становится возможным минимизировать интраоперационную кровопотерю и повреждение нервных волокон, а следовательно, снизить риск интра- и послеоперационных осложнений и тем самым улучшить исход оперативного лечения.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts interest.

Сведения об авторах

Карпищенко С.А. — e-mail: karpischenkos@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-1124-193

Болознева Е.В. — https://orcid.org/0000-0003-0086-1997

Бибик П.Р. — https://orcid.org/0000-0002-6690-3064

Карпищенко Е.С. — https://orcid.org/ORCID 0000-0002-1777-5473

Автор, ответственный за переписку: Карпищенко С.А. — e-mail: karpischenkos@mail.ru

Карпищенко С.А., Болознева Е.В., Бибик П.Р., Карпищенко Е.С. Возможности компьютер-ассистированных навигационных систем в оперативном лечении хронических синуситов, новообразований полости носа и околоносовых пазух. Вестник оториноларингологии. 2019;84(4):6-12. https://doi.org/10.17116/otorino201984041