Jaarlijks ondergaan 1400 patiënten een operatie om een hersentumor te verwijderen, vaak een erg delicate ingreep waar nauwkeurige planning aan vooraf gaat. Door een meer intuïtieve visualisatie van relevante structuren in de hersenen, biedt navigatie via augmented reality (AR) een nauwkeurige methode om deze preoperatieve planning uit te voeren. Een methode die bovendien ook nog sneller en intuïtiever is dan de conventionele systemen die gebruikt worden voor operatieplanning. Dat blijkt uit de prospectieve klinische pilootstudie van dr. Frederick Van Gestel en prof. dr. Johnny Duerinck, recent gepubliceerd in Frontiers in Neurology.

Voor de start van een operatie om een hersentumor te verwijderen, wordt gewoonlijk de ingreep nauwgezet gepland. Hierbij tekent de chirurg de contouren van de tumor meestal af op de huid van de patiënt, wat de planning van de beste incisie in de huid, de kleinst mogelijke opening van de schedel en de globale invalshoek mogelijk maakt. De huidige manier van werken maakt gebruik van een zogenaamd neuronavigatiesysteem, een groot toestel dat de chirurg toelaat om zich te oriënteren in het hoofd van de patiënt. Bij zo’n conventionele planning wordt de anatomie en positie van de patiënt gelinkt aan een preoperatieve MRI of CT-scan (dit proces heet ‘registratie’), waarna de chirurg met behulp van een stylus zicht kan krijgen op de interne anatomie van de patiënt. Deze stylus wordt namelijk door de camera van het neuronavigatiesysteem herkend, waardoor z’n positie kan worden weergegeven op de corresponderende MRI of CT-scan. Op die manier ziet de chirurg op de scan, getoond op een extern scherm, wat er zich in de diepte bevindt onder de stylus. Dit laat toe om de randen van de tumor af te tekenen op de huid, zelfs zonder eerst een opening te moeten maken. Het gebruik van deze systemen is echter niet altijd even vanzelfsprekend, en interpretatiefouten kunnen al snel leiden tot belangrijke afwijkingen in de planning. Dit geldt vooral voor diepgelegen tumoren, aangezien een kleine fout aan de oppervlakte dan voor een grote afwijking in de diepte zorgt, met mogelijk een minder optimale benadering en onvolledige blootstelling van de tumor tot gevolg.

AR biedt extra informatie over de ligging van de tumor

“En net hier zagen we het potentieel van augmented reality”, legt Dr. Frederick Van Gestel, neurochirurg in opleiding, uit. “Vele mensen zijn bekend met virtual reality – VR, maar augmented reality – AR, doet vaak niet onmiddellijk een belletje rinkelen. Nochtans heeft bijna iedereen het in één of andere vorm al wel eens gezien, denk maar aan de instant filters op sociale media, of het Pokémon Go spel. Waar het bij AR om draait, in tegenstelling tot de volledig virtuele wereld van VR, is dat je de echte wereld rondom jou nog ziet. Zo ook dus de patiënt, wat natuurlijk niet onbelangrijk is wanneer het op chirurgie aankomt. Bovenop de patiënt wordt dan een laag virtuele informatie geprojecteerd, zoals bijvoorbeeld de hersenen met daarin een hersentumor, wat ons toelaat om in het hoofd van de patiënt te kijken, een soort X-ray vision als het ware.”

Op die manier maakt het gebruik van AR voor de weergave van relevante structuren in de hersenen, waaronder de hersentumor zelf, en bijgevolg ook de planning van de chirurgie, een heel stuk intuïtiever en zo dus ook efficiënter. AR biedt namelijk een 3-dimensioneel inzicht in de positie van de tumor en ook de omliggende structuren. Zo kan de chirurg inschatten wat bijvoorbeeld de relatie is met de omliggende bloedvaten en hier rekening mee houden tijdens de planning van de ingreep. Voor de chirurg betekent dit een intuïtievere manier van werken, voor de patiënt een potentieel vlottere procedure.

De algoritmes en software voor de Hololens werden ontwikkeld door UZ Brussel in samenwerking met ETRO-VUB en Cronos in het kader van een door imec gesponsord onderzoek SARA (Surgical Augmented Reality Assistance).

Twee studies voor het testen van augmented reality bij de planning van hersenoperaties

Prof. dr. Johnny Duerinck, neurochirurg: “We ontwikkelden een eigen chirurgische navigatiemodule voor AR op de Microsoft HoloLens II, die gebruik maakt van de ingebouwde infraroodcamera voor het visueel volgen van de patiënt en de chirurgische instrumenten, een soort compacte versie van de huidige navigatiesystemen. Vooraleer we hiermee naar de patiënt konden gaan, wilden we in eerste instantie de accuraatheid van ons AR-systeem bevestigen door het te vergelijken met een conventioneel systeem. Hiervoor hebben we een studie uitgevoerd op een fantoomhoofd, waarbij we de nauwkeurigheid van het registratie-proces konden beoordelen. Daarna evalueerden we onze AR-navigatiemethode in een prospectieve pilootstudie waaraan 20 patiënten deelnamen.”

Tijdens deze studie werd de planning voorafgaand aan de hersentumoroperatie (met het registratieproces en het aftekenen van de tumorcontour) eerst uitgevoerd met AR, en nadien met de conventionele neuronavigatie. Op die manier konden de prestaties (zowel nauwkeurigheid als snelheid) van beide systemen direct met elkaar vergeleken worden. Om een eventueel leereffect te vermijden, werd de planning met beide systemen uitgevoerd door 2 verschillende onderzoekers (voor het hele experiment in totaal 12 neurochirurgen en assistenten met verschillende mate van ervaring).

Conclusie: nauwkeurigere aftekening van de tumor en tijdswinst

Tijdens het eerste experiment op het fantoomhoofd, bleek uit de directe vergelijking tussen de AR-navigatie en de conventionele neuronavigatie dat er geen significant verschil was wat betreft de nauwkeurigheid van het registratie-proces (registratiefouten van beide systemen bleven onder de 2.0mm en 2.0°). Met andere woorden, het AR-systeem was in staat om even nauwkeurig als de conventionele systemen de link te leggen tussen de anatomie en positie van de patiënt en de preoperatieve beeldvorming, wat essentieel is voor het goed functioneren van de navigatie. Gezien deze goede resultaten werd besloten om de stap te zetten richting de klinische setting.

Uit de prospectieve klinische studie bleek niet alleen dat het AR-systeem zorgde voor een globale tijdsbesparing van gemiddeld 39%, maar vooral ook dat de aftekening van de tumorcontouren heel wat nauwkeuriger was dankzij het gebruik van AR. Zo werd de aftekening met behulp van AR in 95% van de gevallen even goed (30%) of zelfs beter (65%) geacht dan de aftekening op basis van het conventionele neuronavigatiesysteem.

De onderzoeksgroep werkt ondertussen verder aan de ontwikkeling van betere en snellere methoden van registratie van de patiënt, maar ook aan toepassingen voor gebruik van AR tijdens de operatie zelf, zowel voor verwijderen van hersentumoren als voor ingrepen aan de wervelkolom en aan de heup.