IGS - cấu tạo và nguyên lý hoạt động
1.3.1. Lịch sử phát triển của hệ thống hướng IGS [62], [70], [74], [78]
Sự ra đời và phát triển của hệ thống hướng dẫn hình ảnh định vị ba chiều hay hệ thống hướng dẫn hình ảnh (Three dimension image-guided navigation system: IGNS, hay image-guided system: IGS) bắt nguồn từ lĩnh vực ngoại thần kinh, về sau đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi trong Tai Mũi Họng. Đặc biệt trong lĩnh vực phẫu thuật nội soi mũi xoang, hệ thống này tỏ ra rất thích hợp và hiệu quả [76].
Ngay từ rất sớm, nhu cầu cần định vị chính xác các thƣơng tổn, đặc biệt là trong lĩnh vực ngoại thần kinh, là một nhu cầu rất bức thiết nhằm tiếp cận chính xác thƣơng tổn bên trong não khi sinh thiết hay khi phẫu thuật, hạn chế tối đa gây tổn thƣơng các cấu trúc lân cận.
Năm 1908, Horsely và Clark phát minh ra một hệ thống khung định vị để hƣớng dẫn mũi kim vào trong tiểu não của khỉ Rhesus (Hình 1.19) [72].
Năm 1976, Berstrom và Greitz giới thiệu các loại khung cố định dùng trong kỹ thuật chụp CT scan cĩ đeo khung định vị trên đầu (stereotaxic CT scan) giúp định vị các cấu trúc của não [72].
Năm 1983, Apuzzo và Sabshin sử dụng khung cố định để sinh thiết sang thƣơng nội sọ dƣới gây tê, giúp xác định chẩn đốn đến 95% trƣờng hợp.
Năm 1991, Watanabe và cộng sự mơ tả cánh tay định vị 3 chiều dùng trong lĩnh vực ngoại thần kinh: cĩ sai số 5mm, và 4 năm sau cải tiến cịn 2,5mm.
Đây là một trong những phát minh ban đầu quan trọng, là tiền đề cho hệ thống định vị ba chiều ngày nay [72].
Năm 1993, Barnett và cộng sự giới thiệu hệ thống khơng dùng cánh tay định vị, sử dụng sĩng siêu âm, dùng trong ngoại thần kinh [72].
Năm 1991, Kato và cộng sự đƣa ra hệ thống khơng dùng cánh tay định vị dành cho phẫu thuật ngoại thần kinh, sử dụng cơng nghệ điều biến từ trƣờng (magnetic field modulation technology) hiển thị trên phim CT scan hay MRI chụp trƣớc mổ. Nguồn từ trƣờng đƣợc cố định vào sọ, và sai số 4mm, và bị nhiễu với các thiết bị kim loại nhƣ nhơm, sắt, đồng thau, và thép khơng rỉ trong ở vịng 40 cm của từ trƣờng. Hệ thống này chỉ cho phép sử dụng đƣợc 1 dụng cụ thăm dị, nhƣng cĩ thể xoay đầu bệnh nhân trong lúc mổ, đây là một cải tiến quan trọng.
Hình 1.19: Hệ thống khung định vị Horsely và Clark để hướng dẫn mũi kim vào trong tiểu não của khỉ Rhesus “Nguồn Reardon 2002,
Trong lĩnh vực TMH [72]
Năm 1993, Mosges and Klimek: báo cáo kết qủa của 23 phẫu thuật viên thực hiện trên 212 bệnh nhân, sử dụng hệ thống hƣớng dẫn hình ảnh định vị ba chiều của Aechen dành cho lĩnh vực phẫu thuật nội soi mũi xoang: xoang sàng, xoang trán và xoang bƣớm, tuy nhiên vẫn cịn một số hạn chế.
Năm 1995, Gunkel và cộng sự mơ tả hệ thống định vị điện từ với trợ giúp vi tính (electromagnetic computer-assisted system). Hệ thống này về nguyên tắc cũng tƣơng tự nhƣ hệ thống của Kaito (1991) nhƣng cĩ nhiều điểm cải tiến. Kết quả sử dụng hệ thống định vị loại này (InstaTrak) tại nhiều trung tâm đƣợc báo cáo bởi Fried năm 1997 cho thấy sai số trung bình khi sử dụng hệ thống đánh dấu điểm chuẩn (fiducial marker system) là 1,97mm, so với sai số 2,28 mm khi sử dụng thiết bị chụp trên đầu bệnh nhân (headset). Hệ thống này cho phép xoay đầu BN trong lúc mổ.
Năm 1997 Hauser và Westermann mơ tả hệ thống định vị quang học, sử dụng tia hồng ngoại và các quả cầu phản xạ với tia hồng ngoại gắn vào kính hiển vi hay dụng cụ phẫu thuật nội soi mũi xoang. Thử nghiệm trên 24 bệnh nhân cho thấy sai số 1,56mm trên nội soi và 2,39mm trên kính hiển vi. Ƣu điểm của hệ thống quang học là cĩ thể xoay đầu bệnh nhân lúc mổ và sử dụng nhiều dụng cụ định vị khác nhau.
Metson và cộng sự nghiên cứu so sánh giữa 2 hệ thống quang học (StealthStation) và điện từ trƣờng (InstaTrak): đều cho độ chính xác trong phạm vi 2mm. Và hiện nay, cả hai loại hệ thống này đều đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực TMH.
Việc sử dụng của hệ thống hƣớng IGS vào lĩnh vực phẫu thuật nội soi mũi xoang đã khắc phục đƣợc những hạn chế của phẫu thuật nội soi mũi xoang là: tầm nhìn bị giới hạn từ đầu ống soi trở ra trƣớc, khơng cĩ đƣợc một phẫu trƣờng tồn diện và khơng cĩ chiều sâu.
Hệ thống hƣớng IGS giúp phẫu thuật viên cĩ một “cái nhìn 3 chiều” đối với các cấu trúc giải phẫu, giúp định vị chính xác dụng cụ mổ trong cấu trúc đĩ, tƣơng quan với các cấu trúc lân cận; và cho thấy hình ảnh động của dụng cụ khi di chuyển trong phẫu trƣờng. Đây là phẫu thuật dƣới sự hƣớng dẫn hình ảnh định vị ba chiều, với tƣơng quan thời gian thực giữa phẫu trƣờng đang mổ và hình ảnh học (CT scan hay MRI) chụp trƣớc mổ.
Hình 1.20: IGS thế hệ cũ với cánh tay định vị: bệnh nhân phải được dán băng keo cố định đầu vào bàn mổ.“Nguồn: Sadoughi 2012, Emedicine”[78]
1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống hướng dẫn hình ảnh IGS:[1], [8], [18], [44], [45], [54], [61], [62], [63], [78]
Hệ thống hƣớng dẫn hình ảnh bao gồm các phần chính: phần cứng và phần mềm của máy; hệ thống theo dõi định vị (tracking sytem).
(1) Phần cứng và phần mềm của máy:
Phần cứng dựa trên nền tảng của hệ điều hành UNIX hay Windows, bao gồm bộ phận xử lý và màn hình quan sát.
Phần mềm: bệnh nhân đƣợc chụp CT trƣớc mổ với định dạng DICOM và đƣợc nạp vào máy qua hệ thống mạng hay đĩa CD.
Để đạt đƣợc sự tƣơng thích (matching) giữa hình ảnh CT trƣớc mổ đƣợc nạp vào máy và cấu trúc giải phẫu của bệnh nhân đang nằm trên bàn mổ, địi hỏi một quá trình đăng ký tƣơng tác (registration). Sự chính xác của IGS phụ thuộc vào quá trình này. Nhiều phƣơng pháp đăng ký tƣơng tác đƣợc sử dụng:
- Dựa vào các điểm đánh dấu nhƣ: bình tai, khĩe mắt ngồi, rễ mũi.
- Gắn điểm đánh dấu vào xƣơng bằng con vít: rất chính xác nhƣng là phƣơng pháp xâm lấn, chỉ sử dụng cho ngoại thần kinh.
- Đăng ký tƣơng tác tự động (autoregistration): bằng cách đeo một khung đầu cĩ các điểm đánh dấu lúc chụp CT và trong lúc mổ.
- Dựa vào bản đồ bề mặt: lấy các thơng tin từ 50-400 điểm trên độ cong của khuơn mặt ngay trƣớc khi mổ. Máy tính sẽ cho ra sự tƣơng thích của thơng tin về bề mặt da của khuơn mặt bệnh nhân với hình ảnh CT trƣớc mổ.
(2)Hệ thống theo dõi định vị (tracking sytem): sử dụng một trong hai cơng nghệ: điện từ (electromagnetic) hay quang học (optical).
a. Hệ thống theo dõi định vị điện từ:
Hệ thống này gồm cĩ một bộ phận phát sĩng đƣợc đặt gần phẫu trƣờng và một bộ phận thu nhận tín hiệu (receiver) gắn trên dụng cụ mổ. Hệ thống này sử dụng các cảm biến điện từ tần số vơ tuyến và hoạt động dựa trên sự thay đổi bên trong trƣờng điện từ khi di chuyển dụng cụ đƣợc gắn bộ phận cảm nhận.
Nhƣợc điểm của hệ thống theo dõi định vị điện từ là: các vật kim loại cĩ từ tính nhƣ dụng cụ mổ, trang thiết bị gây mê,.. nếu để quá nhiều trong phạm vi từ trƣờng sẽ ảnh hƣởng đến độ chính xác của hệ thống này [61], và thƣờng phải sử dụng các dụng cụ cĩ sẵn đi kèm với máy. Ƣu điểm là khơng bị ảnh hƣởng do che khuất tầm nhìn cameara với phẫu trƣờng nhƣ hệ thống định vị quang học.
b. Hệ thống theo dõi định vị quang học:
Hệ thống này sử dụng một camera “quan sát” phẫu trƣờng; các bộ phận cảm biến (sensors) gắn trên dụng cụ và gắn trên đầu bệnh nhân thơng qua một bộ khung đeo đầu đơn giản hay phức tạp tùy theo các hãng sản xuất và các đời máy khác nhau. Các bộ phận cảm biến là các vật phát trở lại các tia hồng ngoại khi đƣợc chiếu vào. Camera sẽ phát ra tia hồng ngoại chiếu vào các bộ phận cảm biến và thu nhận trở lại các tia đƣợc phát trở lại từ các bộ phận cảm biến này để theo dõi sự thay đổi về vị trí của các dụng cụ định vị đƣợc sử dụng. Ƣu điểm của hệ thống quang học là thời gian đăng ký nhanh, cĩ thể sử dụng hầu nhƣ bất kỳ dụng cụ mổ nào.Số lƣợngdụng cụ đƣợc đăng ký định vị khơng hạn chế, cĩ thể sử dụng gần nhƣ bất kỳ dụng cụ phẫu thuật nào cĩ sẵn: ống hút, kềm phẫu tích các loại, cây thăm dị, thìa nạo chữ J, dụng cụ cắt hút (microdebrider),… khơng cần
phải sử dụng cụ do chính hãng chế tạo. Khi sử dụng, cần lƣu ý luơn hƣớng dụng cụ đƣợc định vị về phía camera, và khơng đƣợc để bị che khuất bởi tay của phẫu thuật viên hay ngƣời phụ mổ. Nhƣợc điểm: hệ thống sẽ bị cản trở nếu tầm nhìn của camera đối với các quả cầu định vị gắn trên trán bệnh nhân và dụng cụ bị che khuất.
1.3.3. Sơ lược về hệ thống IGS định vị quang học của BrainLab:
Hệ thống này sử dụng các quả cầu đánh dấu thụ động (passive marker spheres), một camera 2 ống kính phát ra tia hồng ngoại, và máy vi tính với phần mềm chuyên dụng. Các quả cầu đánh dấu thụ động này (hay cịn gọi là quả cầu định vị) đƣợc gắn trên đầu bệnh nhân qua và gắn trên dụng cụ mổ (hình 1.21) sẽ phản xạ lại tia hồng ngoại phát ra từ camera và đƣợc camera thu nhận trở lại.
Hai ống kính của camera sẽ “nhìn” mỗi quả cầu ở 1 gĩc khác nhau (hình 1.22), từ đĩ máy sẽ tính tốn cho ra vị trí tƣơng đối trong khơng gian của các quả cầu gắn trên dụng cụ so với các quả cầu gắn trên đầu bệnh nhân, và sau cùng là cho ra đƣợc vị trí của đầu dụng cụ trên CT scan 3 chiều.
Trong lúc mổ, khi đƣa dụng cụ định vị vào trong phẫu trƣờng sẽ thấy vị trí của đầu dụng cụ dƣới dạng dấu thập, hiển thị đồng thời ở cả ba mặt cắt axial, coronal và sagittal, và chuyển động cùng với chuyển động của dụng cụ định vị theo thời gian thực (real time). Nhờ vậy, hệ thống IGS cho phép nhận định chính xác vị trí của đầu dụng cụ trong phẫu trƣờng (hình 1.23).
Hình 1.21: Các quả cầu gắn trên trán bệnh nhân và trên dụng cụ: nhận và phản xạ trở lại tia hồng ngọai phát ra từ 2 ống kính của camera.
“Nguồn BrainLAB”
Hình 1.22: Cơ chế định vị của IGS quang học: hai ống kính của camera "nhìn" mỗi quả cầu một gĩc khác nhau, tín hiệu nhận được sẽ được máy xử
Hình 1.23: Hiển thị vị trí của đầu dụng cụ dưới dạng dấu thập, đồng thời ở cả ba mặt cắt axial, coronal và sagittal, cùng với hình ảnh nội soi khi mổ.