تصویرنگاری سه بُعدی در جراحی

تصاویر سه بعدی کامپیوتری کمک ضروری و بسیاری مؤثری برای پزشکان در انجام جراحی‌های دشوار و ظریف جمجمه است. در هزاران بیمارستانِ جهان در هر هفته این صحنه تکرار می‌شود: جراح اعصاب برای برداشتن توموری به اندازه‌ی یک گردو از درون مغز بیمار آماده می‌شود. و برای این که راه رسیدن به تومور را طرح ریزی کند، آخرین مقاطعی را که با تصویر برداری تشدید مغناطیسی (MRI) از سر بیمار گرفته شده است بررسی می‌کند. هر تصویر نمایان‌گر برشی از سر است که سه تا پنج میلیمتر ضخامت دارد، گویی سر بیمار هم‌چون قرص‌های نان برش داده شده باشد. در برش اول چیزی جز پوست و استخوان به چشم نمی‌خورد، اما در تصویرهای بعدی کم کم ساختار مغز آشکار می‌شود. تکنیک MRI که بافت‌ها را بر اساس چگالی پروتونی‌شان از هم تفکیک می‌کند به هر یک از اجزای تصویر نظیر استخوان، ماده‌ی خاکستری، ماده‌ی سفید، مایع مغزی-نخاعی، رگ‌های خونی، و خودِ تومور، رنگ خاکستری متفاوتی می‌دهد. در برش‌های متعددی که از تومور می‌گذرند، بافت سرطانی به صورت سفید می‌درخشد، و باعث می‌شود تشخیص آن از بافت سالم و تاریک‌تر اطرافش، و نیز نقطه‌ها و رگه‌های سیاهی که نمایان‌گر سیاه‌رگ‌ها و سرخ‌رگ‌های در هم پیچیده‌ی آن هستند، آسان‌تر شود.
اما این اطلاعات، معمای پیچیده‌ای را در پیش روی جراحان قرار می‌دهند: یعنی آن‌ها باید بر اساس این تصویرهای سیاه و سفیدِ دو بُعدی، در ذهن خود نقشه‌ای سه بُعدی از تومور، بافت مغزی سالم اطرافش، و رگ‌های خونی‌ای که در هر طرف آن وجود دارد، ترسیم کنند. جراحان باید بر مبنای این نقشه‌ی ذهنی، طرح راهی را بریزند که کم‌ترین آسیب ممکن را به بافت سالم وارد آورد، هیچ کدام از رگ‌های خونی را نبُرََد، و در عین حال آن‌ها را قادر سازد تا تمام یاخته‌های تومور را بردارند. با آغاز جراحی، کار دشوارتر می‌شود. بر خلاف جراحان قفسه‌ی سینه که می‌توانند برش‌های بلندی بدهند، دنده‌ها را باز کنند، و بدون هیچ مشکلی به قلب دسترسی یابند، جراحان اعصاب باید با مته سوراخی در جمجمه ایجاد کنند و بافت ظریف مغزی را به دقت کنار بزنند تا به تومور برسند. به علاوه، در نظر جراح، توموری که در انتهای این مجرای مرطوب قرار دارد هیچ تفاوتی با بافت مغزی سالم اطرافش ندارد. جیمز زینرایش، متخصص رادیولوژی اعصاب انستیتو پزشکی جانز هاپکینز در بالتیمور بیان داشت: «در چنین مواقعی جراحان دو راه در پیش دارند: یا مقدار زیادی از بافت سالم را بردارند و مطمئن شوند که تمام تومور را برداشته‌اند، یا محافظه کارانه عمل کنند و این خطر را بپذیرند که احتمالاً قسمتی از تومور جا بماند. از آن‌جا که این بافت سالم بخشی از مغز فرد بیمار است، تقریباً همیشه راه دوم را انتخاب می‌کنند.» وی همراه با دیگر رادیولوژیست‌ها، جراحان و برنامه نویسان کوشید تا این وضع را تغییر دهد، و عملاً بُعد دیگری بر آن بیفزاید. این گروه با مجهز بودن به برنامه‌های گرافیکی مشابه با آن‌چه مهندسان و طراحان از آن استفاده می‌کنند، به تهیه‌ی تصویرهای سه بعدی از داده‌های دو بعدیِ به دست آمده از مقاطع MRI و نبز توده نگاری کامپیوتری (CT) پرداخت که بافت‌های مختلف را بر اساس توزیع هسته‌های جذب کننده‌ی پرتو از هم تفکیک می‌کند.
سود این تکنولوژی برای جراحان این است که خواهند توانست جراحی‌ها را پیش از عمل طرح ریزی و حتی تمرین کنند، و فایده‌ی آن برای بیماران این است که روش‌های عمل کوتاه‌تر و کم ضررتر خواهند شد. حتی ظرف چند سال آینده ممکن است این روش منجر به انجام جراحی‌هایی شود که در آن‌ها تومورهای مغز را با سوزنی از بین ببرند بدون آن که آسیب زیادی به بافت‌های سالم بزنند، و عملاً زمانی صرف بهبودی بیمار نشود. این رادیولوژیست و همکاران او، برای ریختن طرح جراحی‌های جمجمه و نخاع هم‌کاری نزدیکی با جراحان داشتند. آنان کار را با آن‌چه معمولاً محصول نهایی است، یعنی مقاطع CT و MRI آغاز می‌کردند. برنامه‌های کامپیوتریِ نقشه‌های دو بعدی، برش‌هایی از بدن بیمار را بر صفحه‌هایی بزرگ با قدرت تفکیک کنندگی زیاد، نمایش می‌دهند. سپس رادیولوژیست‌ها برای مشخص کردن اجزای مختلفی که در تصویر وجود دارند – مثل پوست، استخوان، هوا، مایع مغزی-نخاعی، ماده‌ی خاکستری، ماده‌ی سفید، و تومور – به هر یک رنگی می‌دهند. وقتی کامپیوتر در تصویر برش‌های دیگر جزئی را می‌بیند که رنگ آن در طیف درجات مختلف خاکستری، و هم‌چنین از لحاظ موقعیت، با ناحیه‌ای که مثلاً در تصویر قبلی به عنوان استخوان مشخص شده بود یک‌سان است، آن را نیز به رنگ اسنخوان در می‌آورد. این قطعه قطعه کردن تصاویر شبیه روشی است که برای رنگی کردن فیلم‌های سیاه و سفید قدیمی استفاده می‌شود. مثلاً لازم نیست متخصص رنگ آمیزی، دستمال گردن جان وین را در تمام یک‌صد و هشتاد هزار تصویری که در یک فیلم سیاه و سفید وجود دارد قرمز کند. این کار فقط یک بار انجام می‌شود، و کامپیوتر به حافظه‌ی خود می‌سپارد که در بقیه‌ی فیلم، آن قسمت تصویر را قرمز رنگ کند. در جانز هاپکینز، با استفاده از یک اَبَر ریز کامپیوتر که هشت پردازنده‌ی موازی در آن به کار رفته بود، تصویرهای سیاه و سفید دو بعدی را به تصویرهای رنگی سه بعدی تبدیل می‌کردند.
شاید برای مسأله‌ی ساده‌ای هم‌چون فشار آوردن یک دیسک بین مهره‌ای به نخاع، مرحله‌ی آخر همین باشد. ممکن است تنها یک نمای سه بُعدی از کنار بدن که موقعیت دیسک را نسبت به مهره‌ها و طناب نخاعی نشان دهد، تمام اطلاعات مورد نیاز جراح را در اختیارش گذارد. کافی است یک اسلاید رنگی سی و پنج میلیمتری از تصویر روی صفحه‌ی کامپیوتر که صحنه را به شکل سه بُعدی نشان می‌دهد تهیه شود و در اختیار جراح قرار گیرد. در مسائل دشوارتری نظیر تومورهای مغزی، کامپیوتر، جراحان را قادر می‌سازد تا تصویر سر بیمار را بر روی صفحه‌ی نمایش بچرخانند، و غده‌ی سرطانی را از هر زاویه‌ای بررسی کنند. جراحان می‌توانند لایه به لایه بافت‌ها را بردارند، می‌توانند تمام پوست را جدا کنند، و چند ثانیه پس از برداشته شدن ماهیچه‌های سطحی، سفیدی جمجمه آشکار خواهد شد. وقتی استخوان برداشته شد، قشر مغزی – یعنی ماده‌ی خاکستری با چین و شکن‌هایش – پدیدار می‌شود، و این تصویر را نیز می‌توان برای یافتن کم خطرترین راه دست یابی به تومور چرخاند. جراحان هم‌چنین می‌توانند تمام بافت‌ها را بردارند تا فقط جسم تومور باقی بماند، و سپس با افزودن رگ‌های خونی، و ماده‌ی سفید و خاکستری، به عقب برگردند. به علاوه، می‌توانند هر لایه یا لایه‌هایی را که بخواهند شفاف کنند تا مثلاً بتوانند توموری را از پشت استخوان، مغز و رگ‌های خونی پوشاننده‌اش ببینند.
دیوید آلتوبلی، جراح سابق جمجمه و صورت در بیمارستان کودکان بوستون، از این روش برای تمرین جراحی‌ها استفاده می‌کرد. یکی از آخرین بیمارانش دختر چهارده ساله‌ای بود که به نشانگان فایفر مبتلا بود که نوعی ناهنجاری مادرزادی است که در آن شکل استخوان‌های اصلی صورت تغییر می‌یابد. چشمان این دختر، بیش از حد از یک‌دیگر فاصله داشتند، و آن قدر برآمده بودند که استخوان‌های کاسه‌ی چشم، که معمولاً دو چشم را محصور و محفوظ نگه می‌دارند، از آن‌ها محافظت نمی‌کردند، فک پایینش جلوتر از فک بالا بود، و این نه تنها باعث زشتی چهره‌اش می شد، بلکه غذا خوردن را هم برایش مشکل می‌کرد. آلتوبلی اظهار داشت: «کاری که لازم بود بکنیم این بود که پیشانی و دو کاسه‌ی چشمش را به جلو حرکت دهیم، چشمانش را به یک‌دیگر نزدیک سازیم، فک بالایش را جلو بیاوریم، فک پایین را عقب ببریم، و آن‌ها را با یک‌دیگر منطبق کنیم.» عمل دشواری بود و موفقیت هر مرحله، بستگی به نتیجه‌ی مرحله‌ی قبلی داشت. در گذشته شاید لازم می‌شد بیمار تحت دو یا سه عمل جراحی جداگانه قرار گیرد، و بعد از هر عمل، هفته‌ها یا ماه‌ها صرف بهبودش شود. اما به جای این کار، آلتوبلی با کمک دو رادیولوژیست به نام فرنک جولز و ران کیکینیس، جراحی را روی صفحه‌ی کامپیوترتمرین کرد. این سه با استفاده از یک نرم افزار تصویر نگاری که کیکینیس و جولز با هم‌کاری دانشمندان جنرال الکتریک ابداع کرده بودند، تصاویری سه بعدی از سر بیمار تهیه کردند. آلتوبلی بر صفحه‌ی کامپیوتر، پوست چهره‌ی دخترک را کند تا استخوان‌های زیرین نمایان شوند. سپس کاسه‌ی چشم‌ها را برید و چشمان بیمار را به طرف یک دیگر حرکت داد. بعد فک‌ها را در جای صحیح خود قرار داد و عمل جویدن را بر صفحه‌ی کامپیوتر شبیه سازی کرد تا مطمئن شود دو آواره بر روی هم منطبق شده‌اند. بعد از هر استئوتومی یا برش استخوانی که بر صفحه انجام می‌داد، کامپیوتر پوست بیمار را به تناسب ساختار استخوانی جدیدی که به وجود آمده بود اصلاح می‌کرد، تا آلتوبلی بتواند پیش بینی کند که چگونه قالب چهره‌ی کودک را بریزد.
آلتوبلی هم‌چنین از داده‌های کامپیوتری برای برنامه دادن به یک ماشین تراش استفاده کرد تا ماکتی پلاستیکی از جمجمه بسازد، و جراحی خود را بر روی آن تمرین کند. او بیان داشت: «متوجه شدم که برای بریدن حلقه‌های کامل استخوانی از دور چشمانش، جای کافی وجود ندارد، بنا بر این به جایش قطعات C شکلی از هر کاسه‌ی چشم بریدیم، بعد پیشانی‌اش را جلو آوردیم.» پس از ساعت‌ها تمرین، آلتوبلی توانست استخوان‌های صورت بیمار و بافت‌های نرم روی آن‌ها را در یک عمل جراحی واحد باز سازی کند. کیکینیس می‌گوید تعمیم این فن برای جراحی‌های پیچیده‌تری که در کتاب‌های درسی روشی برای آن‌ها ارائه نشده است باعث خواهد شد که این گونه جراحی‌های نادر، برای بیماران کم خطرتر و ارزان‌تر باشد. وی می‌افزاید: «این روش حتی انجام بعضی از جراحی‌هایی را که در گذشته به دلیل دشوار و خطر آفرین بودن رد می‌شدند، ممکن می‌سازد.»
اکنون جراحان در بیمارستان‌هایی در سراسر امریکای شمالی، اروپا، و ژاپن، نه تنها قبل از عمل جمجمه و نخاع، بلکه حتی پیش از انجام جراحی بر روی زانو و لگن نیز از ابزارهای تصویرنگاری سه بعدی استفاده می‌کنند. در جانز هاپکینز، زینرایش یک قدم فراتر رفت: او دستگاه تصویرنگاری را به دست روبوتی که به اشاره‌گر یا احساس‌گری وصل شده متصل کرد که قادر بود جراح را در حین عمل راهنمایی کند. مثلاً برای برداشتن توموری از درون مغز، جراحی را با استفاده از صفحه‌ای شروع می‌کنند که تصویری از سر و مغز بیمار را نمایش می‌دهد، و غده‌ی سرطانی را با رنگ دیگری مشخص می‌کند تا از بافت سالم اطرافش تمیز داده شود. آن گاه گروه جراح باید به دستگاه احساس‌گر نشان دهد که تصویری روی صفحه با بیماری که بر تخت عمل خوابیده است، چه تناظری دارد. برای انجام این کار، رادیولوژیست پنج نقطه‌ی مهم را بر تصویر سر بیمار مشخص می‌کند، مثلاً زین بینی، شکاف چانه، فضای بین دو دندان پیشین فک بالا، و وسط دو لاله‌ی گوش. جراحان، احساس‌گر را با همین نقاط در بیمار واقعی، که سرش در چارچوبی ثابت شده است، تماس می‌دهند. آن گاه تصویری از احساس‌گر بر صفحه‌ی نمایش ظاهر می‌گردد، و هر حرکتی که احساس‌گر واقعی بکند نسبت به تصویر بیمار نشان داده می‌شود. جراحان در حالی که تصویر سه بعدی مغز بیمار بر صفحه نمایش داده می‌شود احساس‌گر را روی سر بیمار حرکت می‌دهند تا بهترین نقطه برای انجام اولین برش بر صفحه‌ی تصویر نشان داده شود. سپس احساس گر را به کناری می‌گذارند و چاقو را برمی‌دارند. پس از آن که جراحان قسمتی از پوست را بریدند تا جمجمه آشکار شود، مجدداً احساس‌گر را به دست می‌گیرند تا آن‌ها را به سوی برش دوم راهنمایی کند. بر صفحه‌ی نمایش هم پوست بیمار درست مثل حالت واقعی‌اش بریده می‌شود، و تصویری خیالی از استخوان سفید رنگ زیرینش نمایان می‌شود. وقتی جراحان از استخوان هم گذشتند از احساس‌گر استفاده می‌کنند تا آن‌ها را از درون باریک‌ترین و کوتاه‌ترین راه به سوی تومور هدایت کند. وقتی به تومور رسیدند نمی‌توانند فقط با نگاه کردن به درون برش ایجاد شده آن‌را تشخیص دهند، چون ظاهرش هیچ تفاوتی با بافت سالم اطرافش ندارد. اما تومور در صفحه‌ی تصویر به وضوح نمایان است. در مقاطع MRI، غده‌ی سرطانی در مقایسه با بافت سالم و تیره‌تر اطرافش، به رنگ سفید روشن می‌درخشد. جراحان با استفاده از نشانه‌های راهنمای صفحه‌ی تصویر، چاقو یا لیزری به درون برش می‌فرستند و با دقت، بافت سرطانی را یا برمی‌دارند یا نابود می‌کنند.
سرانجام، احساس‌گر را به درون فضایی که در مغز بریده‌اند می‌فرستند. وقتی تصویر احساس‌گر در صفحه‌ی نمایش به مرز همه‌ی قسمت‌های توموری که قبلاً وجود داشت رسید، جراحان با آن که به زحمت قادرند چاقو یا لیزری که بافت آسیب دیده را برداشته است ببینند، اما می‌توانند مطمئن باشند که تمام آن را برداشته‌اند. این روش امکان می‌دهد که جراحی دقیق‌تر و کم ضررتر باشد. زینرایش اظهار داشت: «اندازه‌ی قطعاتی از جمجمه که باید باز شود بسیار کوچک‌تر است. کم کردن اندازه‌ی برش، هم از خطر عفونت می‌کاهد و هم بهبودی را تسریع می‌کند.» رادیولوژیست‌ها مایل‌اند این روش را بیش‌تر گسترش دهند تا متخصصان اعصاب بتوانند بسیار فراتر از جراحی‌های مرسوم، که مستلزم برش‌های بزرگ برای باز کردن مغز و جا دادن ابزار جراحی در آن است، به پیش بروند. آن‌ها در پی آنند که علاوه بر گرفتن تصاویر سه بعدی برای برنامه ریزیِ از پیش تعیین شده‌ی عمل، بتوانند تصویرها را در موقع نیاز، یعنی به هنگام جراحی در اتاق عمل، نیز تهیه کنند. جولز آزمایش‌هایی را روی جانوران انجام داد تا به همین هدف، یعنی جراحی نحت نظارت MRI، دست یابد. بنا به پیش بینی جولز، کامپیوترهای قدرتمندی که در آن‌ها از پردازنده‌های متعدد به صورت موازی استفاده شده است و مستقیماً به دستگاه MRI متصل شده‌اند، خواهند توانست در خود اتاق عمل نیز تصویرهایی بر صفحه‌ی نمایش رسم کنند. جراحان، سوراخ ریزی با مته در جمجمه‌ی بیمار ایجاد خواهند کرد، سپس سوزنی تو خالی به درون مغز خواهند فرستاد. آن گاه سوزن را به طرف تومور هدایت خواهند کرد، و برای آن که با رگ‌های خونی و نواحی حیاتی مغز برخورد نکند، پیش رفت آن را به سوی تومور زیر نظر خواهند گرفت. وقتی سوزن به تومور رسید، جراحان لیزر فروسرخی را به کار می‌اندازند، و انرژی آن را از طریق یک تار نوری که از درون سوزن فرستاده شده است به سوی تومور منتقل خواهند کرد. بعد هم آن قدر بافت سرطانی را می‌پزند تا نابود شود. جولز بیان داشت که جراحان با استفاده از دستگاه‌های MRI که بتوانند نقشه‌ای دمایی با دقت یک درجه‌ی سانتیگراد را بر صفحه نمایش دهند می‌توانند بفهمند چه وقتی تمام تومور آن قدر حرارت دیده است که نابود شده باشد. به گفته‌ی جولز، ابزارهای تصویر نگاری پیچیده و کامپیوترها، به همراه ابزارهای پیش رفته‌ی جراحی، در حالِ توسعه دادن مرزهای معمول جراحی هستند. به گفته‌ی او: «نتیجه آن که بیماران رنج کم‌تری خواهند کشید، مدت کم‌تری در بیمارستان بستری خواهند شد، و سریع‌تر بهبودی خواهند یافت – اما از همه مهم‌تر این که نتایج موفقیت آمیزی به دست خواهد آمد».
منبع: راسخون