По сути, это то, что предлагает команда инженеров Университета Вандербильта, стремясь повысить надежность сложной системы «GPS», которую хирурги используют для этих деликатных операций. Они разработали «гранулированную заглушку», наполненную кофейной гущей, которая лучше отслеживает движения головы пациента, чем существующие методы. Они раскрывают новый дизайн и данные о его эффективности на Международной конференции по обработке информации в компьютерных вмешательствах в Барселоне 20 июня.
Конечно, кофейная гуща не рыхлая: она образует тонкий слой внутри эластичного силиконового головного убора, который выглядит как черная латексная шапочка для плавания, украшенная светоотражающими точками.
После того, как колпачок надевается на голову пациента, он присоединяется к вакуумному насосу, который высасывает воздух из колпачка, сжимая крошечные кусочки вместе, чтобы сформировать жесткий слой, который близко соответствует форме головы пациента. (Это тот же эффект, который превращает кофе в вакуумной упаковке в твердые кирпичи.)
Перед операцией используется специальный сканер, чтобы отобразить расположение точек относительно ключевых деталей на голове пациента: процесс, называемый регистрацией.
Затем во время операции верхняя камера наблюдает за положением точек, позволяя навигационной системе точно отслеживать положение головы пациента, когда хирург ее перемещает. Компьютер использует эту информацию для объединения компьютерной томографии, которая обеспечивает подробное трехмерное изображение кости и мягких тканей, скрытых внутри головы пациента, с положением инструментов, которые использует хирург, и отображает их вместе в режиме реального времени на экране. монитор в операционной.
«Это очень деликатные операции, и для помощи хирургам была разработана сложная система управления изображениями, но они не доверяют этой системе, потому что иногда она выполняется точно, а иногда – нет», – сказал Роберт Вебстер, доцент. из машиностроения и отоларингологии, который разрабатывает хирургического робота, специально предназначенного для эндоназальной хирургии. "Когда мы услышали об этом, мы начали задаваться вопросом, что вызывает эти ошибки, и решили исследовать."
Когда Вебстер и его группа исследователей изучили этот вопрос, они были удивлены тем, что обнаружили. Они обнаружили, что проблема была не в оборудовании или программном обеспечении системы навигации. Неправильно было то, как светоотражающие маркеры прикреплялись к голове пациента. Обычно эти «реперные маркеры» прикрепляются эластичным оголовьем и двусторонней лентой и подвержены сотрясениям и соскальзыванию.
Их тесты показали, что движение кожи и случайные удары персоналом операционной вызывают большие ошибки отслеживания.
«Основное предположение состоит в том, что после регистрации пространственные отношения между головой пациента и реперными маркерами остаются постоянными», – сказал Патрик Веллборн, аспирант, проводящий презентацию. "К сожалению, это не так. Во-первых, исследования показали, что кожа на лбу человека может сдвинуться на полдюйма относительно черепа. А случайное натяжение или перетаскивание кабелей через повязку также может привести к значительным ошибкам при наведении."
Фактически, предыдущие исследования показали, что, когда все идет хорошо, система наведения дает ошибки наведения около 2 миллиметров, но примерно в одной операции из семи целевая ошибка намного больше, что вынуждает хирурга повторять процесс регистрации.
«На самом деле у нас есть решение этой проблемы, но оно включает в себя сверление и прикрепление маркеров непосредственно к черепу…что мы не любим делать, потому что это болезненно и это шаг назад по сравнению с большинством того, что мы делаем », – сказал доцент кафедры отоларингологии Пол Рассел, который сотрудничает с инженерами по проекту.
Поэтому команда начала придумывать альтернативные, неинвазивные методы прикрепления этих критических маркеров. Вебстер вспомнил некоторые эксперименты, которые проводились с использованием кофейной гущи, чтобы помочь роботам захватывать предметы неправильной формы.
В захват робота встроены пузыри с кофейной гущей. Когда он схватил предмет, пузыри приняли его форму. Затем был создан вакуум, кофейная гуща стала жесткой и зафиксировала объект на месте.
Исследователи решили посмотреть, можно ли применить этот метод к проблеме.
За последние три года они претерпели ряд модификаций. Они начали с повязок, на висках которых были мешки с молотым кофе. Их тесты показали, что эти модели могут снизить ошибку таргетинга примерно на 50 процентов.
Но инженеры все равно остались недовольны.
Затем Веллборн, который руководил проектом, провел мозговой штурм с другим аспирантом Ричардом Хендриком. Среди материалов, которые оставил после себя его предшественник, была латексная лысина. «Это привело к появлению идеи о крышках в целом», – вспоминал Веллборн. «Мы хотели что-то эластичное, подходящее по форме, что привело к идее шапочки для плавания."
Помимо чрезвычайно плотного прилегания к голове, новый дизайн имел еще одно преимущество. Система оголовья имеет только три реперных метки, прикрепленных к концам трех тонких стержней, образующих треугольник. Новый дизайн позволил им прикрепить несколько десятков маркеров непосредственно к поверхности крышки, что, по мнению исследователей, также будет способствовать повышению точности системы наведения.
Они разработали три теста, чтобы определить, насколько хорошо этот «капсюль гранулированных помех» по сравнению с нынешним оголовьем работает с уменьшением ошибки наведения:
Они "ударили" их обоих с разных сторон теннисным мячом, наполненным пластиковыми частицами, качавшимися на конце веревки. Они обнаружили, что ограничение снижает количество ошибок таргетинга на 83 процента.
Они смоделировали случай, когда кабель или другое оборудование случайно прижимается друг к другу с помощью силы от четырех до шести фунтов в разных направлениях. Они определили, что колпачок превосходит оголовье на 76 процентов при приложении силы к оголовью и на 92 процента при приложении к маркерам.
Они проверили эффект изменения положения головы, попросив опытного хирурга изменить положение головы испытуемых шесть-семь раз. В этом случае колпачок показал на 66% меньше ошибок, чем оголовье.
На основании этих результатов Университет Вандербильта подал заявку на патент на дизайн, и технология доступна для лицензирования. (Заинтересованным сторонам следует обратиться в Центр трансфера и коммерциализации технологий Вандербильта.)
«Это очень умный способ – который не требует сверления отверстий в черепе пациентов – значительно повысить точность системы наведения, когда мы работаем в середине черепа человека: зоне, где точность тока система неадекватна ", – сказал Рассел.