Список сокращений:

МРТ — магнитно-резонансная томография

КТ — компьютерная томография

ОРТ — ошибки регистрации точки

Одной из основных задач хирургии всегда была возможность достижения определенного анатомического образования наиболее безопасным и наименее травматичным способом. Это стремление легло в основу создания и развития систем интраоперационной навигации. Первые попытки использовать навигацию в хирургии датируются XIX веком, когда рисованные изображения глубинных анатомических структур «привязывали» к видимым наружным ориентирам тела.

По сравнению с другими специальностями нейрохирургия особенно остро нуждалась в инструменте, позволяющем минимизировать хирургическую травму: мозг и окружающие его структуры состоят из тесно расположенных жизненно и функционально значимых образований, и даже минимальная неточность может привести к фатальному результату.

Под навигацией в нейрохирургии мы понимаем технологии, основанные на сопоставлении предоперационных данных нейровизуализации и анатомических образований, видимых во время проведения операции.

Началом развития навигации стала разработка систем стереотаксиса. Первые подобные операции выполнялись с помощью анатомических рисунков, по которым происходило ориентирование в соответствии с отметками на раме, закрепленной на голове пациента. Рентгенография сделала возможной разработку системы рамного стереотаксиса, которая предложена E. Spiegel и H. Wycis в 50-х годах XX века. Однако краниограммы и вентрикулограммы не давали полноценной информации о структурах мозга и экстракраниальных тканях. Разработка компьютерной томографии (КТ) в 70-е годы вывела стереотаксис на новый уровень точности и безопасности. Однако необходимость крепления рамы ограничивала использование стереотаксиса для стандартных нейрохирургических операций, пока в 1986 г. D. Roberts [1] не предложил концепцию безрамного стереотаксиса.

Это событие открыло путь к разработке систем отслеживания положения инструментов относительно анатомических образований в реальном времени [2]. История развития систем интраоперационной навигации в хирургии основания черепа начинается с имени проф. G. Schlondorff [3], заведующего отделением оториноларингологии в Аахене. В тесной кооперации с физиками и инженерами он создал прототип навигационной станции. Первая операция на основании черепа с применением навигации выполнена в 1987 г. Его концепция позиционирования на трех проекциях на экране до сих пор используется в современных навигационных системах.

После разработки систем безрамной навигации для нейрохирургии оториноларингологи стали внедрять навигационные системы в эндоскопическую хирургию околоносовых пазух. Первая подобная система предложена в 1980 г. в Аахене доктором L. Klimek [4]. До усовершенствования систем оптической навигации применялись навигационные методики, основанные на использовании стационарных роботизированных инструментов. Эти системы можно условно назвать механической навигацией. Навигационный инструмент помещался рядом с операционным столом на гибкую стойку, состоящую из нескольких подвижных сегментов, углы наклона которых регистрировались встроенным микрокомпьютером, и проводился расчет положения инструмента в пространстве. Эти первые навигационные инструменты были неудобны в использовании, однако позволяли хирургам чувствовать себя увереннее в условиях изменений нормальной анатомии.

В 1995 г. M. Roth и соавт. [5] предложили удобную схему использования навигации в хирургии околоносовых пазух, основанную на оптическом принципе. В современные системы оптической навигации входят парная инфракрасная камера, располагающаяся на штативе, и блок управления с монитором. Для позиционирования применяются инструменты, имеющие крепление с 3—4 отражающими сферами, которые должны постоянно находиться в зоне видимости камер.

Третьим типом безрамной навигации, применяемой в настоящее время, являются системы, основанные на электромагнитном принципе. Концепция электромагнитной навигации предложена в 1991 г. A. Kato [6]. Вскоре электромагнитная навигация стала применяться в эндоназальной эндоскопической хирургии [7]. В отличие от оптических систем в электромагнитных позиционирование инструментов происходит в постоянном магнитном поле, создаваемом генератором, который располагается вблизи операционного поля. Для того чтобы сопоставить КТ и МРТ изображения с телом пациента, проводится процедура, называемая регистрацией. Вне зависимости от технологии навигации (оптическая или электромагнитная) существует 2 метода регистрации. Первый метод — это сопоставление нескольких точек, отмеченных на КТ или магнитно-резонансных томограммах (МРТ), и анатомических ориентиров пациента. Вместо анатомических ориентиров можно применять специальные наклейки, которые предварительно фиксируются к телу перед выполнением КТ или МРТ. Вторым методом является поверхностная регистрация, при которой инструмент-регистратор движется по поверхности тела пациента, а затем расчетный блок проводит цифровую подгонку виртуальной модели пациента к изображениям КТ или МРТ.

Таким образом, в современной навигации выделяют 3 метода в зависимости от принципа привязки изображений к реальному объекту («регистрация»).

1. Механическая навигация — регистрация происходит путем привязки роботизированного инструмента к анатомическим образованиям пациента, определение положения инструмента в каждый момент времени производится исходя из расчета изменения углов сегментов роботизированного инструмента.

2. Оптическая навигация — регистрация осуществляется на основании положения отражающих сфер (излучающих диодов), закрепленных на пациенте и инструментах, находящихся в поле зрения парной инфракрасной камеры. Расчет положения инструментов и анатомических образований происходит путем триангуляции сфер в пространстве.

3. Электромагнитная навигация — регистрация происходит на основании положения магнитных меток, расположенных на теле пациента и инструментах, находящихся в магнитном поле, создаваемом генератором рядом с телом пациента.

В медицинской литературе и повседневной клинической практике используются такие термины, как «ультразвуковая» и «флюоресцентная» навигация, что, на наш взгляд, создает терминологическую путаницу, поскольку данные методы не основаны на привязке предоперационных данных визуализации к объекту (тело пациента), а осуществляют исследование тканей пациента в реальном времени. Для этих исследований, по нашему мнению, более удачным будет использование терминов «ультразвуковая (флюоресцентная) интраоперационная диагностика».

Использование навигации в хирургии внутримозговых опухолей, краниофациальной реконструкции, эндоскопической эндоназальной хирургии описано в современной литературе. Данный обзор посвящен рассмотрению технологии навигации как отдельно существующего направления в контексте применения в хирургии основания черепа. Особое внимание уделено отечественным достижениям в этой области, которые освещены в обзорах и клинических сериях отечественных авторов НМИЦ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко [8, 9]. В работах подробно описана история развития навигационных систем, принципов их работы, сравнение точности различных методов. Представлен опыт применения системы электромагнитной навигации у 98 пациентов с нейрохирургической патологией, в том числе у 36 пациентов, которым проводились эндоскопические вмешательства. В процессе использования системы выявлены факторы, влияющие на точность навигации и требующие дополнительного контроля со стороны хирурга.

Краниофациальная травма приводит к грубым косметическим дефектам. Нарушение нормальной анатомии костных стенок глазницы может приводить к смещению глазного яблока, вызывать косметические и функциональные нарушения. Навигационные системы нашли свое применение в хирургии многооскольчатых повреждений глазницы для ориентации в условиях сложной анатомии [10, 11]. Неудовлетворенность результатами реконструктивных операций заставила хирургов применять новые технологии для улучшения функциональных и косметических результатов: это комбинация предоперационного компьютерного планирования, стереолитографического моделирования и интраоперационного навигационного контроля [12—14]. Для симметричной реконструкции стенок пораженной глазницы формируется «отражение» структур глазницы со здоровой стороны и наложение этого отражения на пораженную сторону посредством компьютерного моделирования. По отражению намечались контрольные точки для интраоперационного контроля реконструкции. Авторы сообщают, что первым этапом проводилось предоперационное планирование с применением трехмерной реконструкции КТ-изображений костей черепа. Для моделирования надлежащей позиции стенок пораженной глазницы применялся метод компьютерного отражения стенок глазницы со здоровой стороны, намечались контрольные точки для интраоперационного контроля. Далее выполнялось стереолитографическое моделирование индивидуальных титановых имплантов. Во время операции корректность положения имплантов контролировалась путем сопоставления частей импланта с контрольными точками при помощи навигации [15]. Для увеличения точности разработаны навигируемые (оснащенные навигационным датчиком) держатели индивидуальных имплантов, что увеличило точность их установки [16]. Существуют публикации, демонстрирующие преимущества использования навигации для краниофациальной реконструкции, что доказано в исследованиях на трупах с подробным анализом измерений [17, 18]. Навигация также используется в комбинации с эндоскопическими методами реконструкции стенок глазницы [19, 20]. В отечественной литературе описано применение навигации для коррекции экзофтальма при эндокринной офтальмопатии [21, 22]. Использование навигации в реконструкции скулоорбитального комплекса в нашей стране также получило отражение в литературе. Навигация находит применение при формировании анатомически корректных имплантов для закрытия дефектов указанной области после удаления краниофациальных опухолей [23] и резекции костных отломков после краниофациальной травмы [24—26].

В современной эндоскопической эндоназальной хирургии рутинно применяются оптические и электромагнитные системы навигации, что принципиально не отличается от использования в транскраниальной хирургии: в стандартный набор системы входят расчетный компьютерный блок, программное обеспечение, монитор, инфракрасная камера (или генератор магнитного поля в случае электромагнитной навигации), навигируемые инструменты (рис. 1).

Однако существуют особенности применения навигации при эндоскопических доступах. Чаще всего голова не требует жесткой фиксации, поэтому инфракрасный или электромагнитный референс не может быть фиксирован к системе фиксации головы и должен быть закреплен непосредственно на голове пациента. В этом отношении электромагнитная референсная метка представляется более удобной. Она имеет значительно меньшие размеры по сравнению с массивным референсом с отражательными сферами, и ее можно фиксировать неинвазивно на клейкой основе (рис. 2).

Еще одно преимущество использования электромагнитной навигации в эндоназальной хирургии — миниатюрность навигируемых инструментов и возможности навигировать обычные инструменты (аспираторы, монополяры, эндоскопы) путем крепления к ним навигационных магнитных меток. Из-за особенностей эндоскопических манипуляций (длинные инструменты, располагающиеся близко друг к другу в ходе операции) использование массивных референсов с отражательными сферами на эндоскопических инструментах затруднено.

Как и любая другая технология, навигация должна применяться при наличии определенных показаний, так как используется дорогостоящее оборудование, а время операции увеличивается. В 2002 г. Американская ассоциация отоларингологии и хирургии головы и шеи разработала показания к применению навигации в эндоскопической эндоназальной хирургии [27]:

1) повторные эндоскопические эндоназальные вмешательства;

2) нарушение анатомии околоносовых пазух, вызванное аномалиями развития, травмой или предшествующими операциями;

3) распространенный синоназальный полипоз;

4) процессы, затрагивающие лобную, клиновидную пазухи и задние отделы лабиринтов решетчатой кости;

5) патология с вовлечением основания черепа, глазницы, зрительного нерва и сонной артерии;

6) назальная ликворея или наличие дефекта основания черепа;

7) доброкачественные и злокачественные синоназальные опухоли.

Навигация обоснованно повышает уверенность хирурга при выполнении манипуляций. Вместе с тем очевидно, что необходимо избегать неоправданного использования навигации не только по причине ее дороговизны. Недостаточное знание анатомии при использовании навигации может не снизить, а, наоборот, увеличить риск повреждения критически важных образований.

В целом по данным литературы можно отметить позитивную оценку хирургами систем навигации, при этом статистически значимых данных о меньшем количестве послеоперационных осложнений при использовании этого метода на сегодняшний день немного. Так, в сравнительной серии за период катамнеза в 2,5 года A. Tabaee и соавт. [28] отмечено статистически значимо меньшее количество повторных операций у пациентов группы применения электромагнитной навигации (16,5%) по сравнению с пациентами группы, в которой навигация не применялась (43,2%). В исследовании G. James и соавт. [29] при сравнении 97 пациентов, оперированных с электромагнитной навигацией, и 63 пациентов, оперированных без навигации, получено статистически значимо меньшее число послеоперационных осложнений в первой серии (1% по сравнению с 11%).

В отечественной литературе [30] также представлен опыт использования навигации в эндоскопической эндоназальной хирургии. Авторы одними из первых в отечественной литературе описали использование навигации при эндоскопическом удалении опухолей и инородных тел полости носа, околоносовых пазух и передних отделов основания черепа.

Описано применение навигации и в эндоскопической эндоназальной хирургии основания черепа [31, 32]. В этих сериях отмечено уменьшение среднего времени операций и меньшее количество послеоперационных осложнений, а также увеличение уверенности хирурга при манипуляциях на структурах основания черепа. В литературе [33] также представлен опыт применения отечественными нейрохирургами навигации в эндоскопической эндоназальной хирургии основания черепа. Первые упоминания о применении навигации в эндоскопической эндоназальной хирургии в отечественной литературе встречаются с 2000 г. [34]. В нашей стране навигация с успехом применяется как в амбулаторной [35], так и в стационарной оториноларингологии [36]. Примечателен отечественный опыт использования навигации в эндоскопической эндоназальной хирургии педиатрической клиники [37]. Отечественные исследователи отмечают оправданность рутинного применения навигации при эндоскопических эндоназальных вмешательствах у детей в связи с узостью носовых ходов и анатомической вариабельностью полости носа и околоносовых пазух у пациентов этой группы. Недавние исследования касаются применения навигации для изготовления индивидуальных имплантов с целью реконструкции сложных дефектов основания черепа после расширенного эндоскопического эндоназального транссфеноидального доступа [38]. Совершенствуются и технологии визуализации при операциях с навигацией. Так, в работе B. Dixon и соавт. [39] показано применение технологии дополненной реальности для трехмерной визуализации и предупреждения хирурга о близости критически важных образований основания черепа. Технология дополненной реальности подразумевает наложение на реально передаваемое изображение (например, эндоскопическая картинка) дополнительных изображений (проекций скрытых анатомических структур, например сонной артерии). Навигация при эндоскопической эндоназальной хирургии позволяет расширить спектр доступных для манипуляций областей. Безусловно, возможности эндоскопического эндоназального доступа к патологическим образованиям глазницы [40, 41], крылонебной и подвисочной ямок [42] могут быть расширены с использованием навигации.

Наиболее важным показателем при использовании того или иного навигационного метода является его точность. В литературе для количественного определения точности навигации применяется так называемая величина ошибки регистрации точки (ОРТ). Это расстояние от положения навигируемого инструмента до реального положения исследуемой точки на объекте в миллиметрах. Данный показатель позволяет объективно оценить погрешность навигационной системы. Чем больше значение ОРТ, тем больше погрешность и тем меньше точность навигационной системы. Подобные измерения проведены F. Kral и соавт. [43] для передних отделов основания черепа. Исследователи использовали анатомические препараты и навигационную систему. Уникальность исследования состояла в том, что использована навигационная система, совмещающая электромагнитный и оптический модули. Это позволило значительно увеличить репрезентативность сравнения результатов. В итоге точность оптической навигации значительно превзошла точность электромагнитной, однако обе системы показали субмиллиметровые погрешности: средняя ОРТ оптической навигации составила 0,12 мм, электромагнитной — 0,37 мм. По материалам той же исследовательской группы, в аналогичном исследовании на структурах средней черепной ямки и пирамиды височной кости получены сходные результаты: средняя ОРТ электромагнитной навигации составила 0,99 мм по сравнению с 0,22 мм при оптической навигации [44]. В исследовании N. Komune и соавт. [45] проводилась оценка точности электромагнитной навигации при работе на образованиях средней черепной ямки и пирамиды височной кости (кадаверное исследование). По его данным, средняя ОРТ составила 0,49 мм. В исследовании K. Matsushima и соавт. [45] проведена оценка точности электромагнитной навигации при ретросигмовидном и эндоскопическом доступе к образованиям задней черепной ямки и пирамиды височной кости. По их данным, средняя ОРТ не превысила 0,5 мм для всех контрольных анатомический точек. Таким образом, несмотря на меньшую точность электромагнитной навигации по сравнению с оптической, оба метода демонстрируют субмиллиметровую точность, что является оптимальным для хирургии основания черепа.

Первые упоминания о применении навигации в хирургии основания черепа появляются во второй половине 90-х годов ХХ века. Исторически первой навигационной методикой стала механическая навигация. В 1995 г. R. Carrau и соавт. [46] опубликовали первое описание случая применения механической навигации при краниофациальной резекции. В том же году появилась статья о применении навигации в хирургии интракраниальных менингиом, в числе которых были и опухоли основания черепа [47]. Уже в 1996 г. эта же группа исследователей описала серию из 20 наблюдений применения навигации при различных операциях на основании черепа [48]. Одновременно появилась публикация о применении системы механической навигации (ISG — viewing wand) в хирургии основания черепа [49]. Этот первый опыт показал важность использования навигации при манипуляциях вблизи критически важных структур, а также для более точного определения границ синусо- и краниотомий. В этом же году появилось сообщение об актуальности использования навигации при манипуляциях на образованиях средней черепной ямки [50]. В 1998 г. S. Hassfeld и соавт. [51] опубликовали описание большой серии наблюдений, в которой сравнили применение оптической и механической навигации в хирургии основания черепа. В то время точность обоих методов не превышала 2,7 мм. Уже в 1999 г. появились сообщения о применении первых прототипов электромагнитной навигации в хирургии основания черепа [52]. В 2001 г. опубликованы сообщения о применении первой промышленной системы электромагнитной навигации InstaTrak 2000 в хирургии основания черепа [53]. Тогда точность системы оценивалась в диапазоне ОРТ 1,2—2,8 мм. С 2002 г. в хирургии основания черепа начали применять оптическую навигацию [54]. В хирургии передних отделов основания черепа навигация помогает при определении границ резекции в случаях распространенных злокачественных опухолей [55]. Среди областей применения навигации в открытой хирургии основания черепа необходимо выделить лечение опухолей средней черепной ямки и нижележащих отделов наружного основания черепа. Наличие большого мышечного массива в области подвисочной и крылонебной ямок, близость критически важных образований (это внутренняя сонная и верхнечелюстная артерии, слуховая труба, лицевой нерв, структуры пирамиды височной кости, височно-нижнечелюстной сустав) затрудняют ориентацию и повышают риск развития осложнений при хирургическом лечении. Навигация помогает идентифицировать ряд образований и избежать повреждения жизненно важных структур в этой области путем реализации технологий дополненной реальности [56, 57].

Технологии дополненной реальности заключаются в наложении проекций анатомических образований (например, проекция сонной артерии) и функциональных карт (тракты, корковые центры) на интраоперационные изображения. При резекции опухолей, поражающих височно-нижнечелюстной сустав, навигация позволяет определить границы резекции и проконтролировать адекватность реконструкции дефекта основания черепа и нижней челюсти [58]. При выполнении перкутанных манипуляций (например, перкутанная биопсия опухоли в области овального отверстия) на структурах основания черепа навигация позволяет отказаться от использования флюороскопического контроля и снизить лучевую нагрузку на пациента и персонал [59, 60]. Необходимо упомянуть крупную серию S. Bir и соавт. [61], в которой анализировалось применение навигации в хирургии интракраниальных менингиом. В данной серии 188 менингиом основания черепа прооперировано с использованием навигации и 153 — без навигации. Результаты демонстрируют большую безрецидивную выживаемость, меньшую кровопотерю, меньшую длительность госпитализации и меньшую частоту осложнений у пациентов группы с использованием навигации.

Проводилось также сравнение различных методов регистрации и фиксации референса в зависимости от отделов основания черепа. В работе T. Grauvogel и соавт. [62] показано, что наибольшая точность может быть достигнута при использовании инвазивных референсов (титановые винты) (рис. 3),

Навигация также с успехом применяется для определения границ лобных пазух во избежание их неоправданного вскрытия при лобно-височной краниотомии [63]. Актуальным представляется применение навигации при распространенных опухолях передних отделов основания черепа [64], а также при контурной резекции краниофациальной фиброзной дисплазии. Для достижения симметрии при реконструкции используется предоперацион-ное 3D-моделирование, при котором контур черепа здоровой стороны проецируется на пораженную сторону. В процессе операции навигация позволяет точно определить необходимый объем резекции пораженной кости для восстановления симметрии [65].

Навигация используется для обучения специалистов в области хирургии основания черепа. На основании данных нейровизуализации строятся трехмерные модели основания черепа, которые затем создаются при помощи 3D-печати. Эти модели используются для изучения нормальной и патологической анатомии основания черепа под навигационным контролем [66].

Навигация играет важную роль в хирургии основания черепа. Целесообразность использования этого метода связана с несколькими факторами. Известно, что из-за индивидуальной анатомической изменчивости структур основания черепа нередко возникают проблемы с ориентировкой в операционном поле. Навигация помогает в тех ситуациях, когда видимое операционное поле сильно ограничено (например, носовая полость ребенка) или видимость затруднена из-за большого массива мягких тканей (подвисочная ямка).

Помимо анатомической вариабельности, при онкологическом заболевании нормальная анатомия органов и тканей меняется под воздействием опухолевого процесса. Сопоставление данных нейровизуализации и реального объекта помогает определить изменившееся положение анатомических объектов. Это особенно важно для идентификации критически значимых образований в области основания черепа и предотвращения их повреждения. Наибольшую клиническую значимость, по нашему мнению, имеет навигация сонной артерии при больших и распространенных опухолях основания черепа, поскольку позволяет быстро уменьшить объем опухоли вдали от сонной артерии, а затем под навигационным контролем производить более безопасные манипуляции вблизи сосуда. Известно, что применение навигации в хирургии внутримозговых образований осложняется эффектом brain-shift, когда смещение структур мозга после удаления опухоли нивелирует ценность навигации для контроля полноты удаления и предотвращения повреждения функционально значимых зон. Напротив, ригидность костных структур основания черепа увеличивает ценность применения навигации в хирургии патологии этой области. Актуальным является использование навигации для пункционной биопсии глубинных образований основания черепа, что позволяет отказаться от применения флюороскопического контроля для этих малоинвазивных процедур. Точности навигации пока недостаточно, чтобы полноценно заменить стереотаксическую биопсию внутримозговых образований, при которых расчет точных координат цели является критически важным, однако субмиллиметровой точности навигации вполне достаточно для биопсии образований основания черепа.

Навигация предоставляет мощный инструмент для краниофациальной реконструкции и контурной резекции фиброзной дисплазии, актуальность применения которой в этих областях не вызывает сомнений.

Важным направлением развития современной нейрохирургии является концепция key-hole. Мини-доступы и эндоскопическая ассистенция позволяют значительно уменьшить хирургическую травму, сократить количество послеоперационных койко-дней, снизить риск раневых осложнений, улучшить косметические результаты и прочее. Вместе с тем полноценное применение концепции key-hole в хирургии невозможно без рутинного использования навигации, которая необходима для планирования доступа, правильного позиционирования больного на операционном столе и манипуляций в условиях ограниченной по сравнению со стандартными доступами видимости.

Развитие систем навигации связано с прогрессом в использовании технологий дополненной реальности, с формированием виртуальных моделей патологических процессов и наложением их на трехмерные модели пациента (рис. 4).

Изучение принципов навигации органично входит в образовательные программы нейрохирургов, реализуясь, в том числе, в создании гибридных симуляторов для освоения хирургии основания черепа. В то же время необходимо помнить, что навигация является дорогостоящим методом, удлиняющим время операции, и должна применяться только в случае необходимости. Следует также отметить, что технология не заменяет навыки и знания хирурга, а лишь дополняет их, поэтому применение навигации оправдано только после детального изучения анатомии и хирургической техники. Навигация применяется практически во всех направлениях хирургии основания черепа, что говорит о несомненной актуальности данной технологии для повышения эффективности и безопасности манипуляций в этой сложной анатомической области.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

The author declare o conflicts of interest.