혈관 내 치료의 발전은 복잡한 개복 수술 절차를 판막 교체 및 동맥류 복원술과 같은 최소 침습 옵션으로 대체했습니다. 이 논문은 3차원(3D) 모델링과 가상 현실을 사용하여 신경 중재 카테터 삽입 실험실 절차 계획을 위한 C-arm 포지셔닝, 각도 측정 및 로드맵 생성을 지원하고 시술 시간을 최소화할 것을 제안합니다.
복잡한 혈관 기형의 혈관 내 치료는 개복 수술의 위험을 최소 침습 혈관 내 절차 솔루션의 이점으로 전환합니다. 복잡한 개복 수술은 뇌동맥류 복원뿐만 아니라 폐 및 대동맥 판막 치환술과 같은 수많은 질환을 치료할 수 있는 유일한 옵션이었습니다. 그러나 카테터 전달 장치 및 작업자 전문 지식의 발전으로 인해 이러한 절차(다른 많은 절차와 함께)는 이제 중앙 또는 말초 정맥 또는 동맥을 통해 전달되는 최소 침습 절차를 통해 수행할 수 있습니다. 개복 시술에서 혈관 내 접근법으로 전환하기로 한 결정은 종종 3D DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 이미징 데이터 세트를 포함하는 다중 모드 이미징을 기반으로 합니다. 이러한 3D 이미지를 활용하여 우리 실험실은 병리학적 해부학의 3D 모델을 생성하므로 카테터 삽입 실험실 절차의 중요한 구성 요소, 즉 C-arm 위치 지정, 3D 측정 및 이상적인 로드맵 생성을 사전 계획하는 데 필요한 사전 절차 분석이 가능합니다. 이 기사에서는 환자별 병리학의 분할된 3D 모델을 취하고 일반화된 C-arm 위치를 예측하는 방법, 2D 형광투시 투영과 관련된 3D 구조의 중요한 2차원(2D) 측정을 측정하는 방법, 카테터 삽입 실험실 절차 중 적절한 C-arm 위치 지정을 지원할 수 있는 2D 형광투시 로드맵 유사체를 생성하는 방법을 설명합니다.
두개내 동맥류의 치료는 신경 중재 수술의 어려운 측면으로, 최적의 환자 결과를 보장하기 위해 정확한 수술 계획이 필요합니다. 최근 몇 년 동안 가상 현실(VR) 기술은 외과의가 가상 3D 환경에서 몰입형 환자별 해부학 모델에 액세스할 수 있도록 함으로써 수술 계획을 향상시키는 유망한 도구가 되었습니다 1,2,3,4,5,6,7,8 . 이 기사에서는 동맥류 치료를 위한 수술 계획을 지원하기 위해 의료 영상 및 세분화, 3D 모델링, VR 수술 계획 및 이상적인 가상 로드맵 생성을 사용하기 위한 포괄적인 프로토콜을 제시합니다.
이러한 단계의 조합은 가상 수술 계획 접근 방식으로 절정에 달하여 의사가 가상 환경에 몰입하고 수술 전에 환자의 고유한 해부학적 구조를 포괄적으로 이해할 수 있도록 합니다. 이 몰입형 접근 방식을 통해 외과의는 최적의 위치 지정을 탐색하고 다양한 절차 시나리오를 시뮬레이션할 수 있습니다. 이러한 시나리오를 기록하면 C-arm 포지셔닝과 같은 실제 수술 장비의 배치에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
각도를 지정하는 것 외에도 3D 공간용으로 설계된 측정 도구를 사용하여 가상 환경에서 해부학적 구조를 측정할 수도 있습니다. 이러한 측정은 두개내 동맥류 증례9에 사용될 장치의 올바른 크기 및 모양에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.
이 프로토콜은 의료 영상, 이미지 분할, VR 모델 준비 및 가상 수술 로드맵 생성을 원활하게 결합하여 수술 계획 프로세스를 향상시키는 포괄적인 프로세스를 제공합니다. 첨단 기술의 조합을 사용하는 이 프로토콜은 수술실(10)에서 귀중한 시간을 절약할 수 있는 기회를 제공할 뿐만 아니라 복잡한 수술 사례에 대한 외과의의 자신감과 이해를 높인다(11,12,13).
3D 모델링은 3D 프린팅 기술 2,3,4,6,7,9,11의 출현으로 의료 워크플로우에 도입되었지만 VR은 물리적 3D 물체를 넘어 3D 기술의 새로운 응용 프로그램을 제공합니다. 가상 세계에서 해부학과 시나리오를 복제하려는 노력은 개별 환자에 대한 개인화된 의료 행위를 가능하게 한다 1,2,3,4,9,11,13,16. 이 작업은 디지털 세계에서 최소한의 노력으로 새로운 수술 전 시뮬레이션을 만들 수 있는 광범위한 기능을 보여줍니다.
제시된 프로토콜 전반에 걸쳐 사례의 성공에 중요한 몇 가지 단계가 있습니다. 적절한 해상도로 적절한 결과를 생성하는 데 가장 중요한 요소는 올바른 의료 영상을 획득하는 것입니다. 제시된 프로세스는 모든 두개내 동맥류 사례에 대해 예약된 표준 CTA 스캔을 사용하여 환자에 대한 추가 스캔이 필요하지 않습니다. 대부분의 스캐너는 스캐너 모델 및 의료 시스템 프로토콜에 따라 짧은 시간 동안 스캔을 저장하므로 이미징 기술자가 획득한 스캔의 얇은 조각을 업로드할 수 있습니다. 일반적으로 두께가 1mm 미만인 얇은 조각은 저장 크기로 인해 며칠 이상 보관되지 않는 경우가 많습니다. 이 얇은 조각은 더 많은 세부 사항과 혈관과 같은 더 작은 해부학적 구조를 포함할 수 있습니다. 분할이 수행된 후에는 생성된 3D 모델이 향후 단계에서 환자의 해부학적 구조를 최대한 정확하게 표현할 수 있도록 의사의 품질 관리를 완료해야 합니다. 모든 모델의 품질 관리는 세분화 프로세스의 일부여야 하며, 프로토콜의 나머지 부분에서 오류가 전파될 가능성을 최소화해야 합니다. 품질 관리에는 혈관 경계와 동맥류를 주변 혈관과 별도로 분할하는 것이 포함되며, 이는 조영제와 유사합니다. 특히 환자의 치료에 대한 추가 의사 결정에 모델을 사용해야 하는 경우 의사가 모델의 정확성에 대한 모든 책임을 지기 때문에 의사와의 품질 관리가 가장 중요합니다. 일부 상황에서는 의사가 분할 단계를 직접 완료하는 것이 가능하거나 실용적일 수 있습니다.
프로토콜의 다음 중요한 단계는 각도기 측정 도구를 통합하는 동안 공간 모델 정렬을 유지하는 것입니다. Blender는 여러 STL 파일 형식을 여러 레이어가 있는 하나의 결합된 파일로 결합할 수 있도록 하기 때문에 이 단계에서 매우 유용한 도구임이 입증되었으며, 각 파일은 공간적으로 정렬되고 명확성을 높이기 위해 색상이나 질감을 지정할 수 있습니다. 또한 이 단계에서 각도기 STL이 추가되어 각도 데이터를 VR에서 수집할 수 있습니다. 이 각도기 모델은 CAD(Computer Aided Design) 도구인 SolidWorks를 사용하여 특별히 개발되었습니다. 소프트웨어 내의 고정밀 치수 측정 도구를 활용하여 세 축 모두에서 5°마다 5°를 나타내는 틱 마크가 있는 호가 생성되었습니다. 각도기에는 또한 해당 모델의 실제 중심을 나타내고 환자의 해부학적 구조의 중심에 정렬할 수 있는 십자선이 있습니다. 또한 모델 내에는 (0,0)을 나타내는 큰 막대가 있으며 환자의 코와 정렬되어야 합니다. 또한 이 작업은 수동으로 수행되었으며 오류율이 증가할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 정렬은 모든 잠재적 각도 측정의 정확성을 보장하는 데 가장 중요합니다. 올바르게 정렬되면 모델은 VR에 사용할 준비가 되며, 여기서 의사의 모델 배치를 기록하여 나중에 모델이 배치된 각도를 결정할 수 있습니다. 녹화하는 동안 가상 공간 내의 모든 것이 서로를 참조하여 기록되며, 가장 중요한 것은 의사의 관점(POV)과 모델의 움직임 및 회전입니다. 이 기록 및 일시 중지 기능을 최대한 활용하면 의사의 POV에서 각도기 모델의 십자선을 통해 직선 모서리가 배치되고 실제 각도기를 사용하는 것과 매우 유사한 방식으로 측정을 관찰할 수 있습니다.
이 방법론에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 이러한 한계 중 하나는 형광 투시법에서 동맥류를 볼 때 동맥류에 대한 올바른 방향이 반드시 하나만 있는 것은 아니라는 것입니다. 이로 인해 단순히 시야각이 다르기 때문에 여러 번의 검증 시도가 있었습니다. 이러한 한계는 3D 모델을 조작함으로써 얻을 수 있는 추가적인 친숙함을 통해 의사가 수술실 내에서 각도를 결정하는 현재 방법과 비교하여 최적의 보기를 찾을 수 있다는 관점에서 가능한 이점으로 볼 수 있습니다. 이 프로토콜의 또 다른 잠재적 한계는 VR에서 C-arm이 실제로 도달할 수 없는 시야각을 결정할 수 있다는 것입니다. 이러한 한계는 VR에서 의사가 고려하고 알 수 있으므로 이것이 수술 계획의 일부가 될 경우 사양을 만들 수 있습니다. 품질 관리 단계의 중요성을 입증하는 또 다른 한계는 경우에 따라 동맥류의 원위부에 있는 혈관이 실제로 VR의 모델에 포함될 때처럼 형광 투시 절차에서 두드러지게 보이지 않는다는 것입니다. 이로 인해 의사는 VR에서 시술하는 동안 반드시 방해가 되지 않는 혈관을 염두에 두어야 할 수 있으며, 이로 인해 VR에서 최적이 아닌 시야각이 생성될 수 있습니다. 분할에서는 대부분의 혈관과 관심 영역을 분할할 수 있습니다. 중재자는 시야각에 추가 선박이 없도록 선박 모델 간에 전환할 수 있으며, 계약을 사용하면 이러한 위험도 최소화할 수 있습니다.
3D 모델 각도기와 VR 내에서 여러 축에서 각도 측정을 제공할 수 있는 프로토콜의 개발은 매우 중요하며 다양한 잠재적 응용 분야를 약속합니다. 이러한 이점은 다각적인 것으로 입증될 수 있으며, 잠재적으로 건축 및 엔지니어링에서 제조 및 군사 응용 분야에 이르기까지 다양한 산업을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 이 프로토콜에서 볼 수 있듯이 그 진정한 잠재력은 환자 치료의 수술 계획 부분 내에서 직접 의료 영역에서 빛을 발합니다. 외과의는 이 도구를 활용하여 VR에서 직접 각도를 시각화하고 측정할 수 있으므로 모든 유형의 수술을 세심하게 평가하고 계획할 수 있습니다. 이 기술은 심장 카테터 삽입술(19)을 위해 수행된 작업과 유사하다. 시술 전 특정 각도를 아는 것의 직접적인 이점 중 하나는 동맥류 복원 중에 일반적으로 사용되는 이미징 기술인 형광 투시 중에 완전한 360도 회전의 필요성이 크게 줄어든다는 것입니다. 가상 수술 로드맵을 모방하는 데 필요한 각도를 결정함으로써 외과의는 장비를 보다 정확하게 배치하여 환자에 대한 방사선 노출을 최소화할 수 있습니다. 이는 방사선 노출과 관련된 위험을 최소화하여 환자 안전에 기여할 뿐만 아니라 수술 절차를 간소화합니다. 형광 투시 조정에 소요되는 시간이 줄어들면 수술 팀이 보다 효율적으로 수술할 수 있어 궁극적으로 시술 시간이 단축됩니다.
최근 3D 모델링 및 가상 현실 기술의 발전으로 의료진은 가장 긴급한 경우를 제외한 모든 경우에 수술 전에 환자의 내부 해부학적 구조를 깊이 이해함으로써 수술 중 즉흥적인 사고를 피할 수 있습니다 1,2,3,4,6,9,11,13,16 . 시간이 허락한다면 의료진은 환자를 수술대에 올려놓기 전에 의료 영상 분할 및 VR 진단을 활용하여 사례에 대한 이해를 높여야 합니다. 이를 통해 궁극적으로 각 환자에 대한 이해도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 수술 시간과 마취 시간을 줄일 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
통찰력 있는 피드백을 제공해 주신 검토 위원회와 이 기사의 작성 과정 전반에 걸쳐 귀중한 의견, 전문 지식, 지침 및 지원을 제공해 주신 편집부에 특별한 감사를 표합니다. 우리는 OSF HealthCare System의 Mission Partners가 조성한 협력 환경에 크게 감사하며, 이는 이 작업의 질을 향상시켰습니다. 리소스와 지원을 제공해준 OSF HealthCare System과 도움을 준 Jump Simulation and Education Center의 Advanced Imaging and Modeling Lab에 감사드립니다.
3D Slicer | N/A | Open source segmentation software | |
Blender | N/A | Open-source CAD software that can import and edit organic models created through segmentation | |
Enduvo | Enduvo | N/A | A proprietary VR viewer built for education, and our VR viewer of choice |
McKesson PACS Change Healthcare Radiology Solution | McKesson | N/A | Any Picture Archiving and Communication System should be suffiecient, McKessen is simply our PACS software solution of choice. |
Mimics | Materialise | N/A | Segmentation software |
Quest | Oculus | N/A | Virtual Reality Headset |
Steam VR | Steam | N/A | Computer to headset connection software. |
VR capable computer | See Steam VR for minimal requirements. | ||
VR-STL-Viewer | GitHub | N/A | A open-source VR viewer capable of importing and viewing .stl and can be used, however we cannot guarantee all functionalities mentioned in this paper will be available |