Нейронавигатор: оптическая навигационная система для нейрохирургов

Обзор проекта

Задача

Разработать программно-аппаратный комплекс для точных и безопасных операций на мозге и позвоночнике, недорогой и простой в использовании для врачей.

Решение

Мы разработали рабочий прототип с поддержкой 3D-изображений результатов УЗИ / МРТ / КТ. Нейрохирурги могут отслеживать положение своих инструментов в теле пациента в режиме реального времени, с точностью до одного миллиметра.

Рабочий прототип нейронавигатора состоит из компьютера, программной платформы, монитора и комплекта приборов со встроенными датчиками:


 

Команда инженеров Promwad консультировалась с ведущими нейрохирургами Восточной Европы: экспертами РНПЦ Нейрохирургии в Беларуси и Института скорой помощи им. Склифосовского в России. Наши консультанты любезно продемонстрировали применение навигационных систем в реальных хирургических операциях. Мы учли их знания и опыт для этого проекта.
 

В результате мы выполнили следующие задачи:

  1. Разработка программного обеспечения для планирования и нейрохирургических вмешательств: биопсия, шунтирование, краниотомия и удаление опухолей мозга.
  2. Разработка хирургических инструментов и адаптеров для станций.
  3. Поддержка на производстве, в том числе строительство испытательных стендов, проверка и отладка оборудования.
     

Система отслеживает положение хирургических инструментов с помощью электромагнитного поля или оптически. Она синхронизируется с хирургическим оборудованием, загружает данные КТ/МРТ/рентгена/ультразвука, а затем строит обобщенную 3D-модель для предоперационного планирования, в том числе удаленного:

 

С помощью этой оптической навигационной системы нейрохирурги смогут проводить сложные и высокотехнологичные хирургические вмешательства с минимальным риском повреждения здоровых тканей. 

Нейронавигатор можно применять в следующих направлениях:

  • Планирование краниотомии (наилучшее расположение и минимальный размер).
  • Биопсия и удаление новообразований головного мозга небольших размеров и глубинной локализации.
  • Пункция абсцессов и кист.
  • Удаление внутримозговых (паренхиматозных) гематом.
  • Шунтирующие операции при гидроцефалии.

     

Результат проекта для бизнеса

Стоимость разработанного нейронавигатора на 50% ниже, чем предлагают лидеры рынка, поэтому он доступен для отделений нейрохирургии в развивающихся странах и небольших региональных клиниках. Прогнозируемая доля продукции на мировом рынке составляет 15%.

Важно отметить, что другие оптические навигационные системы на рынке обладают множеством избыточных функций: наш анализ показывает, что нейрохирурги используют лишь около 20-30% доступных функций для 80% своих операций. Поэтому мы разработали нейронавигатор с удобным интерфейсом и набором самых популярных функций. Такой подход не только решает проблему высокой стоимости, но и значительно сокращает время и стоимость обучения хирургов.

Как это сделано

Хирургическая навигационная станция помогает контролировать работу на всех этапах, начиная с планирования операции.

1. Наша карта технологий

Для обработки и визуализации медицинских данных мы выбрали модульный пакет 3D Slicer с использованием библиотек ITK и VTK.

  • 3D Slicer — программная платформа с открытым исходным кодом для обработки медицинских изображений и трехмерной визуализации.
  • VTK — свободно распространяемая программная система с открытым исходным кодом для 3D-графики, обработки изображений и визуализации.
  • ITK — кросс-платформенная система с открытым исходным кодом с обширным набором программных инструментов для анализа изображений.
  • Plus Toolkit — инструментарий с открытым исходным кодом для сбора данных, предварительной обработки и калибровки, используется для навигируемых вмешательств с визуальным сопровождением.
  • Qt4 — кроссплатформенный фреймворк для написания пользовательского интерфейса.
  • MySQL — база данных для хранения данных о пользователях, пациентах и операциях.
  • 3D Slicer — программная платформа с открытым исходным кодом для обработки медицинских изображений и 3D-визуализации.

Навигационное оборудование подключено к 3D Slicer через Plus Toolkit, который совместно с оборудованием вычисляет координаты инструментов.

2. Разработка ПО

Разработан эргономичный и функциональный дизайн программы c сенсорным управлением. Программа разделена на отдельные функциональные части – модули:


  1. Модуль управления пациентами — управление пациентами, планами операций, предварительный просмотр исследования.



    Модуль управления пациентами. Окно пациента
     
  2. Модуль сведения изображений — совмещение мультимодальных изображений (например, КТ, МРТ, ПЭТ) для их одновременного отображения при планирования или навигации.
     
  3. Модуль измерений — измерение линейных размеров, углов, площадей и объемов.
     
  4. Модуль сегментации — создание сегментов для визуализации анатомических структур при оперативном планирования или навигации.
     
  5. Модуль траекторий — построение траектории хирургического вмешательства для интраоперационного руководства на основании целевой точки и точки входа, позволяет визуализировать и оценить планируемый хирургический подход на 3D-модели и 2D-плоскости.


    Модули сегментации и траекторий. Отображение траектории и сегмента опухоли
     
  6. Модуль аннотаций — пометка интересующих областей или добавление примечаний.
     
  7. Модуль композиций — управление отображением запланированных элементов для создания определенного набора, который оптимально подходит для планируемого вмешательства.
     
  8. Модуль регистрации пациента — регистрация пациента по запланированным анатомическим ориентирам.
     
  9. Модуль навигации — слежение за медицинским инструментом.


    Режим навигирования инструмента

3. Результат

Разработанная медицинская навигационная станция может использоваться для объемных образований головного мозга; операций на позвоночнике; эндопротезирования коленного и тазобедренного суставов; и прочих оперативных вмешательств в сфере нейрохирургии, онкологии, травматологии-ортопедии, ЛОР, челюстно-лицевой хирургии.