Banebrydende patientspecifikke tilgange til præcisionskirurgi ved hjælp af billeddannelse og virtual reality

Summary

Fremskridt inden for endovaskulær behandling har erstattet komplekse åbne kirurgiske procedurer med minimalt invasive muligheder, som udskiftning af ventil og reparation af aneurisme. Dette papir foreslår at bruge tredimensionel (3D) modellering og virtual reality til at hjælpe med C-armpositionering, vinkelmålinger og køreplangenerering til neuro-interventionel kateteriseringslaboratorieprocedureplanlægning, hvilket minimerer proceduretiden.

Abstract

Endovaskulær behandling af komplekse vaskulære anomalier flytter risikoen for åbne kirurgiske procedurer til fordel for minimalt invasive endovaskulære proceduremæssige løsninger. Komplekse åbne kirurgiske procedurer plejede at være den eneste mulighed for behandling af et utal af tilstande som udskiftning af lunge- og aortaklappen samt reparation af cerebral aneurisme. På grund af fremskridt inden for kateterleverede enheder og operatørekspertise kan disse procedurer (sammen med mange andre) nu udføres gennem minimalt invasive procedurer, der leveres gennem en central eller perifer vene eller arterie. Beslutningen om at skifte fra en åben procedure til en endovaskulær tilgang er baseret på multimodal billeddannelse, ofte inklusive 3D Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) billeddatasæt. Ved hjælp af disse 3D-billeder genererer vores laboratorium 3D-modeller af den patologiske anatomi, hvilket muliggør den præproceduremæssige analyse, der er nødvendig for at planlægge kritiske komponenter i kateteriseringslaboratorieproceduren, nemlig C-armpositionering, 3D-måling og idealiseret generering af køreplaner. Denne artikel beskriver, hvordan man tager segmenterede 3D-modeller af patientspecifik patologi og forudsiger generaliserede C-armpositioner, hvordan man måler kritiske todimensionelle (2D) målinger af 3D-strukturer, der er relevante for 2D-fluoroskopifremskrivningerne, og hvordan man genererer 2D-fluoroskopi køreplananaloger, der kan hjælpe med korrekt C-armpositionering under kateteriseringslaboratorieprocedurer.

Introduction

Behandlingen af intrakranielle aneurismer er et udfordrende aspekt af neurointerventionel kirurgi, der kræver præcis kirurgisk planlægning for at sikre optimale patientresultater. I de senere år er virtual reality (VR) teknologi blevet et lovende værktøj til at forbedre kirurgisk planlægning ved at give kirurger adgang til fordybende, patientspecifikke anatomiske modeller i et virtuelt 3D-miljø 1,2,3,4,5,6,7,8 . Denne artikel præsenterer en omfattende protokol til brug af medicinsk billeddannelse og segmentering, 3D-modellering, VR-kirurgisk planlægning og idealiseret virtuel køreplangenerering for at hjælpe med kirurgisk planlægning til behandling af aneurismer.

Kombinationen af disse trin kulminerer i en virtuel kirurgisk planlægningsmetode, der giver læger mulighed for at fordybe sig i et virtuelt miljø og få en omfattende forståelse af en patients unikke anatomi forud for en kirurgisk procedure. Denne fordybende tilgang giver kirurger mulighed for at udforske optimal positionering og simulere forskellige proceduremæssige scenarier. Registrering af disse scenarier kan give indsigt i placeringen af kirurgisk udstyr i den virkelige verden, såsom C-armpositionering.

Ud over positioneringsvinkler er det også muligt at måle anatomi i et virtuelt miljø ved hjælp af måleværktøjer designet til 3D-rum. Disse målinger kan give indsigt i den korrekte størrelse og form på den enhed, der skal bruges i et intrakranielt aneurismetilfælde⁹.

Denne protokol præsenterer en omfattende proces, der problemfrit kombinerer medicinsk billeddannelse, billedsegmentering, VR-modelforberedelse og generering af virtuel kirurgisk køreplan for at forbedre den kirurgiske planlægningsproces. Ved hjælp af en kombination af førende teknologier giver denne protokol mulighed for at spare værdifuld tid på operationsstuen¹⁰ samt et løft til kirurgens tillid og forståelse af komplekse kirurgiske tilfælde 11,12,13.

Protocol

Afidentificerede humane DICOM'er eller DICOM'er til patientpleje anvendes i overensstemmelse med institutionelle retningslinjer for patientpleje, Health Insurance Portability and Accountability Act of 1996 (HIPAA) og samarbejde med Institutional Review Board (IRB), når det er relevant.

1. Segment patient-specifik anatomi

1. Erhvervelse af medicinske scanninger
   1. Start segmenteringsprocessen med en læge eller kirurg, der bestiller medicinske scanninger. Disse scanninger er en del af standardprotokollen for patientpleje og introducerer ikke ekstra procedurer.
   2. Hvis lægen ved, at de vil anmode om segmentering, skal du sørge for, at de beder om tyndt skiver datasæt, der skal eksporteres fra MR- eller CT-scanneren. I de fleste tilfælde er disse tynde skiver mindre end 1 mm tykke; Denne opløsning kan dog variere mellem scannere. Tag CTA-scanninger med kontrast for at sikre korrekt segmentering af vaskulatur og blodpuljer.
      1. Til dataindsamling skal du erhverve MRI 3D-sekvens med følgende foreslåede parametre: Kør i aksial, sørg for skivetykkelse og mellemrum mellem skiver på 0,625 mm eller mindre, nul afstand. Anskaf CT 3D-serien med følgende foreslåede parametre: skivescanner i spiralformet tilstand, skivetykkelse og mellemrum mellem skiver på 0,625 mm, f.eks. Neuro: Kvp på 120, Smart mA-område på 100-740, rotationshastighed på .5ms eller Cardiac: Kvp på 70, Smart mA-område på 201-227 (smart MA-tilstand 226), rotationshastighed på 0,28 ms¹⁴. Følg institutionens spiralformede parametre for hver kropsdel.
         BEMÆRK: 3D-sekvensen skal erhverves, så der i rekonstruktionen er en nær isotrop opløsning i de aksiale, koronale og sagittale planer. I de fleste tilfælde skal de tyndeste skiver erhverves. 3D-sekvensen køres ud over institutionens standardprotokol for billeddannelse. Det køres dog på samme tid, så der er minimalt ekstra arbejde, strålingseksponering og udgifter for det kliniske team og patienten.
2. Bed lægen om at anmode om segmentering af modellen og specificere, hvilken anatomi der vil være det centrale fokus for segmenteringsprocessen (En læge eller kirurg gennemfører normalt dette trin).
3. Download scanningsdata, og gem dem lokalt.
   1. Hvis der blev foretaget mere end én scanning, skal du sørge for, at DICOM-datasæt fra scanningen sammenlignes for at afgøre, hvilket scanningssæt der har den tyndeste udsnitsindstilling og den bedste kontrast, da dette giver 3D-modeller med den højeste opløsning, når de segmenteres.
   2. Når det bedste billedsæt er bestemt, skal du downloade det fra billeddatabasen til segmentering, anonymisere eller lade dataene være, som de er med beskyttede sundhedsoplysninger (PHI). Denne protokol fungerer med en anonymiseret DICOM.
4. Importér DICOM-datasættet til segmenteringssoftwaren.
   BEMÆRK: Følgende instruktionssæt bruger termer, der er specifikke for segmenteringssoftwaren Materialise Mimics. Mens Materialise Suite er abonnementsbaseret software, er der open source-alternativer såsom 3DSlicer. Værktøjsnavne og terminologi kan variere på tværs af andre segmenteringsværktøjer.
5. Opret en grov maske af målets anatomi, såsom knogle, blodpulje, aneurisme osv.
   1. Under fanen SEGMENT skal du vælge Nyt maskeværktøj .
   2. Indstil de øvre og nedre tærskelgrænser ved at klikke og trække begge for at fange så meget af den relevante målanatomi som muligt, samtidig med at indfangningen af omgivende væv begrænses. Klik og træk grænserne i tærskelværktøjet, eller indtast den ønskede Hounsfield-enhed (HU).
   3. Mens du indstiller tærskler, skal du beskære til et bestemt område af scanningen for at undgå overdreven udvælgelse af omgivende væv. De øvre og nedre tærskelgrænser varierer meget afhængigt af scanningstype, sekvenstype, kontrastmængde og patient.
   4. Klik på OK for at færdiggøre den grove maske.
6. Brug andre værktøjer under fanen SEGMENT til at fjerne unødvendige dele af masken eller tilføje manglende væv efter behov.
   1. Brug Region Grow-værktøjet til at adskille alle voxels i masken, der er direkte forbundet med en voxel valgt af brugeren; brug Rediger maske til at tilføje eller fjerne voxels i masken via både 2D- og 3D-vinduerne; Brug Flere udsnitsredigering til at tilføje eller fjerne voxels gennem interpolation mellem udsnit længere fra hinanden; og bruge Udfyld huller eller Smart Fyld til at udfylde huller af en brugerdefineret størrelse i masken.
   2. Fortsæt med at finjustere masken ved hjælp af værktøjer i fanen, indtil interpolationen 2D til 3D er så nøjagtig som muligt.
7. Gentag trin 1.5 og 1.6 for alle målanatomier.
8. Kontakt en læge vedrørende den afsluttede segmentering for at sikre nøjagtighed.
   1. Vis de færdige masker til en læge for at sikre, at vigtig anatomi ikke er udeladt, og overskydende anatomi ikke er inkluderet. I de fleste tilfælde skal du kontakte den læge, der anmoder om segmentering til kvalitetskontrol. Lægen sikrer, at den del af DICOM, der fremhæves af masken på hver skive, er så nøjagtig som muligt (se figur 1).
9. Eksportsegmentering til videre behandling.
   1. Konverter færdige masker til dele ved hjælp af værktøjet Beregn del i menuen Projektstyring i højre side.
   2. Eksporter beregnede dele til 3D-filer ved at højreklikke på The Part og vælge Export STL.

2. Forbered modellen til virtual reality

1. Opret et nyt Blender-projekt, og fjern standardsceneelementerne. Tryk på a-tasten for at fremhæve alle synlige elementer, og tryk derefter på x efterfulgt af Enter for at fjerne dem fra scenen.
   BEMÆRK: Blender er en gratis og open source modelleringssoftware. Mens anden modelleringssoftware muligvis kan udføre de samme opgaver, vil terminologien, der bruges i dette trin, være specifik for Blender.
2. Importer anatomifilerne via File > Import > Stl (.stl).
3. Juster patientens anatomi med verdens oprindelse.
   1. Vælg al patientens anatomi for at opretholde relativ positionering. For at gøre dette skal du trykke på a-tasten, når alle filer er importeret.
   2. Brug værktøjerne Flyt og Roter-værktøjet til at tilpasse anatomien til verdens oprindelse. Sørg for, at patientens næse er justeret med en akse, hvor den vinkelrette akse kommer i kontakt med henholdsvis øreområdet og toppen af kraniet. Brug ortografiske visninger, som kan aktiveres med widgeten i øverste højre hjørne af blendergrænsefladen.
4. Importer VR-vinkelmåleren og juster den til patientens anatomi. Denne vinkelmåler er specielt designet af OSF's ingeniørteam til at hjælpe med at erhverve C-armvinkler i VR, baseret på vinkler i 3D-rummet.
   1. Importer .stl-filen for vinkelmåleren fra supplerende fil 1.
   2. Juster (0,0) på vinkelmåleren, repræsenteret ved det længste målemærke, med patientens næse. Orienter mellemrummet i vinkelmålerarmene mod patientens fødder.
   3. Skaler vinkelmåleren i overensstemmelse hermed. I de fleste tilfælde skal du skalere vinkelmåleren ret lille for at sikre nem måling efter skalering i VR. I tilfælde af aneurismer skal du prøve at skalere vinkelmåleren på en måde, så den ligger lige uden for aneurismeområdet.
5. Tilpas anatomiens oprindelse til verdens oprindelse.
   1. Højreklik på klik i hovedvisningsporten, og vælg Fastgør > markøren til World Origin. Dette sikrer, at 3D-markøren er tilpasset den globale oprindelse.
   2. Vælg alle synlige modeller med a-tasten .
   3. Højreklik, klik i visningsporten, og vælg Indstil Origin > Origin til 3D-markør. Dette justerer 3D-oprindelsen af alle modeller til det samme punkt, hvilket sikrer, at de vil stille op og skalere korrekt, når de importeres til VR.
6. Tilføj tekstur eller farve til modellerne som ønsket for bedre skelnen i VR.
   1. Dette er et valgfrit trin. Vælg de enkelte .stl-filer, og klik derefter på fanen Materialeegenskaber i højre side af skærmen. Under denne fane kan basisfarven justeres til den ønskede farve. Gentag dette trin for hvert objekt for at tilføje farve.
7. Eksportér den færdige model som en enkelt. glb/.gltf-fil. Sørg for, at ingen af indstillingerne Begræns til under fanen Medtag i eksportvinduet er markeret.
   BEMÆRK: Den. glb/.gltf-filformatet afspejler den filtype, der kræves til brug i VR-softwaren samt til upload til NIH 3D-biblioteket. Andre eksporttyper kan være nødvendige for anden software.

3. Uddannelse af læger i virtual reality

BEMÆRK: Følgende instruktioner er skrevet til brug med Enduvo digital klasseværelsessoftware. Selvom det kan være muligt at bruge anden 3D-visningssoftware, er evnen til at flytte modeller, placere kameraer og optage lægepositionering nogle funktioner, der gør denne software ideel til denne procedure. Forskellige VR-headset, controllere og softwarekombinationer kan have forskellige kontroller.

1. Opret en ny lektion.
   1. Importer .gltf-filen, der blev eksporteret i trin 2.7, i menuen til oprettelse af lektioner. Softwaren kan producere en meddelelse om: Den filtype (GLB), som du forsøger at uploade, understøttes ikke fuldt ud i øjeblikket. Ignorer denne meddelelse, og klik på knappen Bekræft .
2. Åbn lektionen i VR for færdiggørelse.
   1. Brug gennemsigtighedsmenuen, der åbnes ved at trykke ned på tommelfingeren eller joysticket på en controller, skjul alle modeller undtagen målanatomien. Aneurismet bør være den eneste synlige model.
3. Placer kirurgen eller lægen i VR, og giv dem lidt tid til at gøre sig bekendt med 3D-rummet og funktionerne og anatomien i lektionen.
4. Når kirurgen er fortrolig med anatomien, skal du begynde at optage.
   1. Start optagefunktionen ved hjælp af enten den virtuelle knap i VR-rummet eller optageknappen på den sekundære skærm.
   2. Lad kirurgen rotere målanatomien for at finde foretrukne synsvinkler for både anteroposterior (AP) og lateral fluoroskopi visninger. Når du har fundet en foretrukken vinkel, skal du bede kirurgen om at holde pause kort og angive, at de har fundet en foretrukken vinkel, og om den aktuelle synsvinkel er AP eller lateral.
   3. Når alle foretrukne vinkler er fundet, skal du stoppe optagelsen med enten VR-knappen eller den eksterne skærm.

4. Generering af fluoroskopi køreplan i VR

1. Erhverv fluoroskopianaloger ved hjælp af registreret kirurgplacering.
   1. Placer et billede, der efterligner den grå nuancebaggrund af et fluoroskopibillede bag modellen i det virtuelle rum. Brug valgknappen på controlleren, ofte udløseren på bagsiden af controlleren, til at manipulere billedet efter behov. Dette skaber en ensartet baggrundsfarve, som gør det lettere at se anatomien og er mere repræsentativ for fluoroskopi.
   2. Placer kameraet i overensstemmelse med kirurgens synsvinkel på det tidspunkt, der er erklæret som en foretrukken synsvinkel, og sørg for, at kameraet peger nogenlunde mod midten af målets anatomi. Kirurgen vises som et sæt flydende briller og to controllere i VR.
   3. Tag et 2D-snapshot med kameraet i den ønskede position. Gentag trinnet for hver foretrukken vinkel.
2. Få C-armvinkler ved hjælp af kirurgens bevægelser og vinkelmåler.
   1. Sæt den optagede lektion på pause, når kirurgen erklærer en foretrukken synsvinkel.
   2. Klik på pegefeltet for at åbne genvejsmenuen, og markér afkrydsningsfeltet Til/Fra for at få vist vinkelmåleren, der er fastgjort til modellen.
   3. Brug controllerens gribeknap til at vælge og manipulere en markør eller lige kant i overensstemmelse med kirurgens synspunkt, der også passerer gennem vinkelmålerens oprindelse.
   4. Gå tilbage fra modellen, og se vinklerne fra de ortografiske synspunkter, der svarer til C-armbevægelserne.
   5. For et neurologisk tilfælde med patientens næse orienteret til 0 ° på alle C-armakser, tag AP-vinklerne fra sagittale og aksiale planer. Tag sidevinklerne fra koronale og aksiale planer. I begge tilfælde svarer det aksiale plan til C-armens højre og venstre vinkel, mens sagittale og koronale planer svarer til kraniale og kaudale vinkler.
   6. Gentag ovenstående trin for hver foretrukken vinkel.

Representative Results

Efter den præsenterede protokol kan virtuelle kirurgiske køreplaner genereres for både AP- og laterale fluoroskopivisninger. Disse køreplaner oprettes ved at placere et kamera på kirurgens synspunkt i VR for at fange deres ideelle AP og laterale visninger, samtidig med at de placerer en farvet baggrund bag målanatomien for bedre at replikere et fluoroskopibillede. VR-vinkelmåleren bruges på dette tidspunkt til at registrere den vinkel, hvorfra kirurgen ser målanatomien, optaget som højre eller venstre forreste skrå (RAO / LAO - kamera forskudt til henholdsvis patientens højre eller venstre) og kranial eller kaudale anterior (CRA / CAA - kamera forskudt til henholdsvis mod patientens hoved eller fødder)¹⁵. Under udviklingen af denne proces blev retrospektive sager brugt til at give mulighed for at sammenligne vinkler målt i VR med de faktiske vinkler, der blev brugt på C-arm-maskinerne i kirurgi. Tre forskellige retrospektive tilfælde blev udvalgt til denne proces, hvor hvert tilfælde var blevet behandlet med et andet kirurgisk udstyr. Mangfoldigheden af disse tre tilfælde viser alsidigheden af den præsenterede protokol. Kirurgen blev bedt om at finde foretrukne AP- og laterale vinkler uden at henvise til de C-armvinkler, der blev brugt under proceduren, og VR-målingerne blev derefter sammenlignet med disse allerede eksisterende C-armpositioner.

I tilfælde 1 blev den angivne foretrukne AP-betragtningsvinkel målt i VR som 16° CRA, 12° RAO. De faktiske målinger, der blev anvendt i kirurgi for dette tilfælde, var 11 ° CRA og 13 ° RAO. Den maksimale fejl blandt disse målinger er 5° på kranie/kaudalaksen. Figur 2A viser kirurgens erklærede AP-visning i virtual reality efterfulgt af figur 2B, der viser den faktiske vinkel, der anvendes i kirurgi som set i VR, og figur 2C, der viser det kirurgiske fluoroskopibillede. Sammenligning af de tre billeder viser, at VR-billederne ligner det faktiske fluoroskopibillede ekstraordinært i samme vinkel.

Sidebilledet af den samme sag viste en af de mange udfordringer i denne proces, fordi 3D-modellen ikke blev gennemgået tilstrækkeligt. På grund af denne fejlagtige gennemgang var der nogle fremmede kar segmenteret, der ifølge kirurgen hæmmede deres syn på aneurismet i VR og ikke er forbundet med målanatomien og som sådan ikke afspejles nøjagtigt i VR. Disse uoverensstemmelser var et resultat af fejlkommunikation i den krævede målanatomi under kvalitetskontrolsessionen med lægen. Disse uoverensstemmelser kan ses i figur 2D-F, som viser kirurgens erklærede laterale, VR-repræsentationen baseret på kirurgiske fluoroskopivinkler og de faktiske fluoroskopibilleder fra henholdsvis venstre mod højre. Med undtagelse af fremmede kar ligner kirurgens erklærede AP-billede meget det faktiske fluoroskopibillede, på trods af at de foretagne målinger er 6 ° og 26 ° off i henholdsvis koronale og aksiale planer. Replikationen af faktiske målinger i VR, som vist i figur 2E, viser også en lignende opfattelse som den ægte fluoroskopi vist til højre for figur 2F, hvor den største uoverensstemmelse er de uregelmæssige ekstra kar. Dette tilfælde anvendte en mindre pålidelig manuel placering af vinkelmålerværktøjet, hvilket kan forklare den lille forskel i målingen. Fremtidige tilfælde anvender en vinkelmåler, der er bundet til anatomien for at sikre maksimal nøjagtighed af vinkelmålinger foretaget i VR.

I tilfælde 2 og 3 var de synspunkter, der blev valgt til at være optimale i VR, ikke repræsentative for de synspunkter, der blev brugt i den faktiske procedure. Dette var en konsekvens af, at den oprindelige placering af modeller i VR var en blindet undersøgelse. Det er vigtigt at bemærke, at kirurgen gav udtryk for, at fluoroskopiprocedurer kan have flere acceptable behandlingsvinkler, og der er ikke nødvendigvis en korrekt vinkel. Med henblik på sammenligning blev billeder taget i VR fra de rapporterede kirurgiske vinkler. Figur 3 viser VR AP-visningen i figur 3A og den kirurgiske AP-visning i figur 3B. I figur 3 kan der foretages en lignende sammenligning mellem sidebilleder i figur 3C,D for tilfælde 2. For eksempel 3 viser figur 4 AP-sammenligningen figur 4A,B samt den laterale sammenligning figur 4C,D. Lighederne mellem VR- og fluoroskopibillederne af disse tilfælde demonstrerer yderligere VR's evne til at blive brugt i kirurgisk planlægning.

En vigtig fordel ved denne protokol er forbedringen af kirurgisk planlægning ved at udnytte 3D-modeller i et VR-miljø. En tidligere undersøgelse af effektiviteten af VR i kirurgisk planlægning for komplekse onkologiske tilfælde viste, at omkring 50% af tilfældene, der anvendte brugen af VR, ændrede den kirurgiske tilgang fra den plan, der kun blev lavet ved hjælp af 2D-datasæt⁹. VR har også vist sig nyttigt i den kirurgiske planlægningsproces for levertumorresektion^16,17 samt procedurer, der involverer hoved- og halspatologi¹⁸. Kirurgen, der deltog i oprettelsen af denne protokol, udtalte, at: i VR kan jeg se [anatomien] så meget bedre, hvilket viser fordelen ved VR til endovaskulære neurokirurgiske applikationer.

Figur 1: Skærmbillede fra segmenteringssoftware. Skærmbilledet viser den fremhævede anatomi baseret på masker. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2: Tilfælde 1. (A) Anteroposterior visning af tilfælde 1 som placeret af den opererende kirurg i VR. (B) Anteroposterior visning af Case 1 i VR baseret på vinkelmålinger foretaget under operationen. (C) Anteroposterior fluoroskopi billede fanget under operationen. (D) Set fra siden af tilfælde 1 som placeret af den opererende kirurg i VR. (E) Sidebillede af Case 1 i VR baseret på vinkelmålinger foretaget under operationen. (F) Lateral fluoroskopi billede fanget under operationen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3: Case 2. (A) Anteroposterior visning af Case 2 i VR baseret på vinkelmålinger foretaget under operationen. (B) Anteroposterior fluoroskopi billede af tilfælde 2 fanget under operationen. (C) Set fra siden af Case 2 i VR baseret på vinkelmålinger foretaget under operationen. (D) Lateral fluoroskopi visning af tilfælde 2 fanget under operationen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 4: Tilfælde 3. (A) Anteroposterior visning af Case 3 i VR baseret på vinkelmålinger foretaget under operationen. (B) Anteroposterior fluoroskopi billede af tilfælde 3 fanget under operationen. (C) Sidebillede af Case 3 i VR baseret på vinkelmålinger foretaget under operationen. (D) Lateral fluoroskopi visning af tilfælde 3 fanget under operationen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende fil 1: En 3D-model af vinkelmålere blev udviklet og brugt til protokollen i STL-filformat. Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

3D-modellering blev introduceret til medicinske arbejdsgange med fremkomsten af 3D-printteknologier 2,3,4,6,7,9,11, men VR giver nye anvendelser af 3D-teknologi ud over et fysisk 3D-objekt. Bestræbelser på at replikere anatomi og scenarier i en virtuel verden giver mulighed for personlig medicinsk praksis på individuelle patienter 1,2,3,4,9,11,13,16. Dette arbejde demonstrerer den ekspansive evne til at skabe nye prækirurgiske simuleringer i en digital verden med minimal indsats.

I hele den præsenterede protokol er der flere trin, der er afgørende for en sags succes. Den vigtigste faktor i at producere tilstrækkelige resultater med korrekt opløsning er at erhverve den korrekte medicinske billeddannelse. Den præsenterede proces kræver ikke yderligere scanninger på patienten ved hjælp af standard CTA-scanningen, der er planlagt til hvert intrakranielt aneurismetilfælde. De fleste scannere gemmer scanninger i kort tid, afhængigt af scannermodellen og sundhedssystemprotokollen, så billedteknikeren kan uploade de erhvervede tynde skiver af scanningerne, der typisk er mindre end 1 mm tykke, gemmes ofte ikke længere end et par dage på grund af lagerstørrelsen. Disse tynde skiver giver mulighed for større detaljer og inkludering af mindre anatomi, såsom blodkar. Når segmenteringen har fundet sted, skal lægens kvalitetskontrol gennemføres for at sikre, at de genererede 3D-modeller repræsenterer patientens anatomi så nøjagtigt som muligt i fremtidige trin. Kvalitetskontrol af alle modeller bør være en del af segmenteringsprocessen, hvilket minimerer potentialet for udbredelse af fejl i resten af protokollen. Kvalitetskontrol omfatter blodkargrænser og segmentering af aneurisme adskilt fra de omgivende kar, svarende til hvordan det ville præsentere med kontrast. Kvalitetskontrol med en læge er af største betydning, da lægen har hele ansvaret for modellernes nøjagtighed, især hvis modellerne skal bruges i den videre beslutningstagning af patientens behandling. Under visse omstændigheder kan det være muligt eller praktisk for lægen selv at gennemføre segmenteringstrinnet.

Det næste vigtige trin i protokollen er at opretholde rumlig modeljustering, samtidig med at vinkelmålermåleværktøjet integreres. Blender har vist sig at være et yderst nyttigt værktøj til dette trin, da det giver mulighed for kombination af flere STL-filtyper i en kombineret fil med flere lag, som hver især er rumligt justeret og kan farves eller struktureres for ekstra klarhed. Derudover tilføjes vinkelmåleren STL i løbet af dette trin, så vinkeldata kan indsamles i VR. Denne vinkelmåler model blev specielt udviklet ved hjælp af en computer aided design (CAD) værktøj, SolidWorks. Ved at udnytte dimensioneringsværktøjer med høj præcision i softwaren blev der skabt en bue med tic-mærker, der angiver hver 5° i alle tre akser. Vinkelmåleren har også trådkors, der angiver det sande centrum af denne model og giver mulighed for justering til midten af patientens anatomi. Der er også en stor bjælke i modellen, der angiver (0,0) og skal flugte med patientens næse. Det er også vigtigt at bemærke, at dette blev gjort manuelt og kunne have øget fejlprocenten. Justering er yderst vigtig for at sikre nøjagtigheden af alle potentielle vinkelmålinger. Når modellen er korrekt justeret, er den klar til VR, hvor registrering af lægens placering af modellen giver mulighed for fremtidig bestemmelse af de vinkler, hvor modellen er placeret. Under optagelsen registreres alt i det virtuelle rum i forhold til hinanden, vigtigst af alt lægens synspunkt (POV) og modellernes bevægelser og rotationer. Ved at udnytte denne optagelse og pausefunktionen fuldt ud placeres en lige kant fra lægens POV gennem vinkelmålermodellens trådkors, og målinger kan observeres på en måde, der bemærkelsesværdigt ligner brugen af en faktisk vinkelmåler.

Denne metode har nogle begrænsninger. En sådan begrænsning er, at der ikke nødvendigvis er en enkelt korrekt orientering for aneurismet, når det ses i fluoroskopi. Dette førte til flere valideringsforsøg simpelthen på grund af de forskellige synsvinkler. Denne begrænsning kan ses som en mulig fordel ud fra det perspektiv, at med yderligere fortrolighed, der kommer fra manipulation af 3D-modellen, er det muligt, at lægen finder et optimalt syn sammenlignet med den nuværende metode til bestemmelse af vinkler inden for operationsstuen. En anden potentiel begrænsning af denne protokol er, at det er muligt at bestemme en synsvinkel i VR, som faktisk ikke ville være mulig for C-armene at komme til. Denne begrænsning ville blive taget i betragtning og kendt af lægen i VR, så specifikationer kunne foretages, hvis dette blev en del af kirurgisk planlægning. En anden begrænsning, der beviser vigtigheden af kvalitetskontroltrinnet, er, at i nogle tilfælde ses kar, der er distale af aneurismet, i virkeligheden ikke så fremtrædende i fluoroskopiprocedurer, som de ville være, hvis de blev inkluderet i modellen i VR. Dette kan tvinge lægen til at være opmærksom på et fartøj, der ikke nødvendigvis ville være i vejen under proceduren i VR, hvilket fører til, at der genereres en suboptimal synsvinkel i VR. Ved segmentering er det muligt at segmentere størstedelen af blodkarrene og interesseområdet; Interventionalisten kunne vælge at skifte mellem modeller af fartøjer for at sikre, at der ikke ville være yderligere fartøjer i deres synsvinkel, brugen af kontrakt minimerer også denne risiko.

Udviklingen af en 3D-modelvinkelmåler og en protokol, der kan levere vinkelmålinger i flere akser inden for VR, har enorm betydning og lover en bred vifte af potentielle applikationer. Fordelene kan vise sig at være mangesidede og potentielt forbedre forskellige industrier fra arkitektur og teknik til fremstilling og militære applikationer. Men som vist i denne protokol skinner dets sande potentiale inden for sundhedsområdet, direkte inden for de kirurgiske planlægningsdele af patientplejen. Kirurger kan bruge dette værktøj til omhyggeligt at vurdere og planlægge alle typer procedurer ved at være i stand til at visualisere og måle vinkler direkte i VR. Denne teknik svarer til arbejde udført for hjertekateterisering¹⁹. En direkte fordel ved at kende bestemte vinkler før proceduren er den betydelige reduktion i behovet for en fuld 360-graders spin under fluoroskopi, en almindeligt anvendt billeddannelsesteknik under aneurismereparation. Ved at bestemme de vinkler, der kræves for at efterligne den virtuelle kirurgiske køreplan, kan kirurgerne placere udstyret mere præcist og dermed minimere strålingseksponeringen for patienten. Dette bidrager ikke kun til patientsikkerheden ved at minimere risici forbundet med strålingseksponering, men strømliner også den kirurgiske procedure. Med reduceret tid brugt på fluoroskopijusteringer kan kirurgiske teams fungere mere effektivt, hvilket i sidste ende fører til kortere proceduretider.

Nylige fremskridt inden for 3D-modellering og virtual reality-teknologi gør det muligt for medicinsk personale at undgå improvisationstænkning under operationer ved at opnå en dyb forståelse af patientens interne anatomi inden operationen i alle undtagen de mest presserende tilfælde 1,2,3,4,6,9,11,13,16 . Hvis tiden tillader det, bør medicinsk personale udnytte brugen af medicinsk billedsegmentering og VR-diagnostik for at fremme deres forståelse af sagen, inden patienten placeres på operationsbordet. Dette vil i sidste ende føre til en bedre forståelse af hver unik patient samt reduceret operationstid og tid under anæstesi.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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