SURGICAL NAVIGATION AND AUGMENTED REALITY FOR MARGINS CONTROL IN HEAD AND NECK CANCER

Head and neck malignancies are an heterogeneous group of tumors. Surgery represents the mainstay of treatment for the large majority of head and neck cancers, with ablation being aimed at removing completely the tumor. Radiotherapy and systemic therapy have also a substantial role in the multidisciplinary management of head and neck cancers. The quality of surgical ablation is intimately related to margin status evaluated at a microscopic level. Indeed, margin involvement has a remarkably negative effect on prognosis of patients and mandates the escalation of postoperative treatment by adding concomitant chemotherapy to radiotherapy and accordingly increasing the toxicity of overall treatment. The rate of margin involvement in the head and neck is among the highest in the entire field of surgical oncology. In this context, the present PhD project was aimed at testing the utility of 2 technologies, namely surgical navigation with 3-dimensional rendering and pico projector-based augmented reality, in decreasing the rate of involved margins during oncologic surgical ablations in the craniofacial area. Experiments were performed in the University of Brescia, University of Padua, and University Health Network (Toronto, Ontario, Canada). The research activities completed in the context of this PhD course demonstrated that surgical navigation with 3-dimensional rendering confers a higher quality to oncologic ablations in the head and neck, irrespective of the open or endoscopic surgical technique. The benefits deriving from this implementation come with no relevant drawbacks from a logistical and practical standpoint, nor were major adverse events observed. Thus, implementation of this technology into the standard care is the logical proposed step forward. However, the genuine presence of a prognostic advantage needs longer and larger study to be formally addressed. On the other hand, pico projector-based augmented reality showed no sufficient advantages to encourage translation into the clinical setting. Although observing a clear practical advantage deriving from the projection of osteotomy lines onto the surgical field, no substantial benefits were measured when comparing this technology with surgical navigation with 3-dimensional rendering. Yet recognizing a potential value of this technology from an educational standpoint, the performance displayed in the preclinical setting in terms of surgical margins optimization is not in favor of a clinical translation with this specific aim.

I tumori maligni del distretto testa-collo rappresentano un insieme di lesioni dalle diverse caratteristiche patologiche, epidemiologiche e prognostiche. Per una porzione considerevole di tali patologie, l’intervento chirurgico finalizzato all’asportazione completa del tumore rappresenta l’elemento chiave del trattamento, quand’anche esso includa altre modalità quali la radioterapia e la terapia sistemica. La qualità dell’atto chirurgico ablativo è pertanto essenziale al fine di garantire le massime chance di cura al paziente. Nell’ambito della chirurgia oncologica, la qualità delle ablazioni viene misurata attraverso l’analisi dello stato dei margini di resezione. Oltre a rappresentare un surrogato della qualità della resezione chirurgica, lo stato dei margini di resezione ha notevoli implicazioni da un punto di vista clinico e prognostico. Infatti, il coinvolgimento dei margini di resezione da parte della neoplasia rappresenta invariabilmente un fattore prognostico sfavorevole, oltre che implicare la necessità di intensificare i trattamenti postchirurgici (e.g., ponendo indicazione alla chemioradioterapia adiuvante), comportando una maggiore tossicità per il paziente. La proporzione di resezioni con margini positivi (i.e., coinvolti dalla neoplasia) nel distretto testa-collo è tra le più elevate in ambito di chirurgia oncologica. In tale contesto si pone l’obiettivo del dottorato di cui questa tesi riporta i risultati. Le due tecnologie di cui si è analizzata l’utilità in termini di ottimizzazione dello stato dei margini di resezione sono la navigazione chirurgica con rendering tridimensionale e la realtà aumentata basata sulla videoproiezione di immagini. Le sperimentazioni sono state svolte parzialmente presso l’Università degli Studi di Brescia, parzialmente presso l’Azienda Ospedale Università di Padova e parzialmente presso l’University Health Network (Toronto, Ontario, Canada). I risultati delle sperimentazioni incluse in questo elaborato dimostrano che l'impiego della navigazione chirurgica con rendering tridimensionale nel contesto di procedure oncologiche ablative cervico-cefaliche risulta associata ad un vantaggio significativo in termini di riduzione della frequenza di margini positivi. Al contrario, le tecniche di realtà aumentata basata sulla videoproiezione, nell'ambito della sperimentazione preclinica effettuata, non sono risultate associate a vantaggi sufficienti per poter considerare tale tecnologia per la traslazione clinica.