Framsteg inom endovaskulär behandling har ersatt komplexa öppna kirurgiska ingrepp med minimalt invasiva alternativ, som klaffbyte och aneurysmreparation. Denna artikel föreslår att man använder tredimensionell (3D) modellering och virtuell verklighet för att hjälpa till med C-armpositionering, vinkelmätningar och generering av färdplaner för procedurplanering för neurointerventionell kateterisering, vilket minimerar procedurtiden.
Endovaskulär behandling av komplexa vaskulära anomalier förskjuter risken för öppna kirurgiska ingrepp till förmån för minimalinvasiva endovaskulära ingreppslösningar. Komplexa öppna kirurgiska ingrepp brukade vara det enda alternativet för behandling av en myriad av tillstånd som lung- och aortaklaffbyte samt reparation av cerebral aneurysm. Men på grund av framsteg inom kateterlevererade enheter och operatörsexpertis kan dessa procedurer (tillsammans med många andra) nu utföras genom minimalt invasiva procedurer som levereras genom en central eller perifer ven eller artär. Beslutet att övergå från en öppen procedur till ett endovaskulärt tillvägagångssätt baseras på multimodal avbildning, ofta inklusive 3D Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) bilddatauppsättningar. Med hjälp av dessa 3D-bilder genererar vårt labb 3D-modeller av den patologiska anatomin, vilket möjliggör den analys före proceduren som är nödvändig för att förplanera kritiska komponenter i kateteriseringslaboratoriet, nämligen C-armpositionering, 3D-mätning och idealiserad generering av färdplaner. Den här artikeln beskriver hur man tar segmenterade 3D-modeller av patientspecifik patologi och förutsäger generaliserade C-armspositioner, hur man mäter kritiska tvådimensionella (2D) mätningar av 3D-strukturer som är relevanta för 2D-fluoroskopiprojektionerna och hur man genererar 2D-fluoroskopianaloger som kan hjälpa till med korrekt C-armspositionering under kateteriseringslaboratorieprocedurer.
Behandlingen av intrakraniella aneurysm är en utmanande aspekt av neurointerventionell kirurgi, vilket kräver exakt kirurgisk planering för att säkerställa optimala patientresultat. Under de senaste åren har virtual reality-teknik (VR) blivit ett lovande verktyg för att förbättra kirurgisk planering genom att ge kirurger tillgång till uppslukande, patientspecifika anatomiska modeller i en virtuell 3D-miljö 1,2,3,4,5,6,7,8 . Den här artikeln presenterar ett omfattande protokoll för användning av medicinsk avbildning och segmentering, 3D-modellering, VR-kirurgisk planering och idealiserad generering av virtuella färdplaner för att hjälpa till med kirurgisk planering för behandling av aneurysm.
Kombinationen av dessa steg kulminerar i en virtuell kirurgisk planeringsmetod, vilket gör det möjligt för läkare att fördjupa sig i en virtuell miljö och få en omfattande förståelse för en patients unika anatomi före ett kirurgiskt ingrepp. Detta uppslukande tillvägagångssätt gör det möjligt för kirurger att utforska optimal positionering och simulera olika procedurscenarier. Att registrera dessa scenarier kan ge insikt i placeringen av verklig kirurgisk utrustning, till exempel C-armspositionering.
Förutom positioneringsvinklar är det också möjligt att mäta anatomi i en virtuell miljö med hjälp av mätverktyg som är utformade för 3D-rymden. Dessa mätningar kan ge insikt i den korrekta storleken och formen på enheten som ska användas i ett intrakraniellt aneurysmfall9.
Detta protokoll presenterar en omfattande process som sömlöst kombinerar medicinsk bildbehandling, bildsegmentering, förberedelse av VR-modeller och generering av virtuell kirurgisk färdplan för att förbättra den kirurgiska planeringsprocessen. Genom att använda en kombination av ledande teknik ger detta protokoll möjligheter att spara värdefull tid i operationssalen10, samt öka kirurgens förtroende och förståelse för komplexa kirurgiska fall 11,12,13.
3D-modellering introducerades i medicinska arbetsflöden med tillkomsten av 3D-utskriftsteknik 2,3,4,6,7,9,11, men VR ger nya tillämpningar av 3D-teknik utöver ett fysiskt 3D-objekt. Ansträngningar för att replikera anatomi och scenarier i en virtuell värld möjliggör personlig medicinsk praxis på enskilda patienter 1,2,3,4,9,11,13,16. Detta arbete visar den expansiva förmågan att skapa nya preoperativa simuleringar i en digital värld med minimal ansträngning.
I det presenterade protokollet finns det flera steg som är avgörande för att ett ärende ska lyckas. Den viktigaste faktorn för att producera adekvata resultat med rätt upplösning är att skaffa rätt medicinsk bildbehandling. Den presenterade processen kräver inga ytterligare skanningar av patienten, med hjälp av den vanliga CTA-skanningen som är schemalagd för varje intrakraniellt aneurysmfall. De flesta skannrar lagrar skanningar under en kort tid, beroende på skannermodell och hälsosystemprotokoll, vilket gör att bildteknikern kan ladda upp de erhållna tunna skivorna av skanningarna. Vanligtvis lagras inte mindre än 1 mm tjocka skivor längre än några dagar på grund av lagringsstorleken. Dessa tunna skivor möjliggör större detaljer och inkludering av mindre anatomi, såsom blodkärl. Efter att segmenteringen har ägt rum måste läkarens kvalitetskontroll slutföras för att säkerställa att de 3D-modeller som genereras representerar patientens anatomi så exakt som möjligt i framtida steg. Kvalitetskontroll av alla modeller bör vara en del av segmenteringsprocessen, vilket minimerar risken för spridning av fel under resten av protokollet. Kvalitetskontrollen omfattar blodkärlsgränser och segmentering av aneurysmen separat från de omgivande kärlen, på samma sätt som det skulle se ut med kontrast. Kvalitetskontroll med läkare är av yttersta vikt eftersom läkaren har hela ansvaret för modellernas noggrannhet, särskilt om modellerna ska användas i det fortsatta beslutsfattandet av patientens behandling. Under vissa omständigheter kan det vara genomförbart eller praktiskt för läkaren att själv slutföra segmenteringssteget.
Nästa viktiga steg i protokollet är att upprätthålla den rumsliga modellens anpassning samtidigt som gradskivans mätverktyg integreras. Blender har visat sig vara ett extremt användbart verktyg för detta steg eftersom det gör det möjligt att kombinera flera STL-filtyper till en kombinerad fil med flera lager, som var och en är rumsligt inriktad och kan färgas eller textureras för ökad klarhet. Dessutom, under detta steg, läggs gradskivan STL till så att vinkeldata kan samlas in i VR. Denna gradskivemodell utvecklades specifikt med hjälp av ett CAD-verktyg (Computer Aided Design), SolidWorks. Genom att dra nytta av dimensioneringsverktyg med hög precision i programvaran skapades en båge med tic-markeringar som anger var 5:e grad i alla tre axlarna. Gradskivan har också hårkors som betecknar modellens verkliga centrum och möjliggör anpassning till mitten av patientens anatomi. Det finns också en stor stapel i modellen som betyder (0,0) och som ska riktas in mot patientens näsa. Det är också viktigt att notera att detta gjordes manuellt och kunde ha ökat felprocenten. Inriktning är av yttersta vikt för att säkerställa noggrannheten i alla potentialvinkelmätningar. När modellen är korrekt justerad är den redo för VR, där registrering av läkarens placering av modellen möjliggör framtida bestämning av de vinklar i vilka modellen har placerats. Under inspelningen spelas allt inom det virtuella rummet in i förhållande till varandra, framför allt läkarens synvinkel (POV) och modellernas rörelser och rotationer. Genom att dra full nytta av denna inspelning och pausfunktionen placeras en rak kant från läkarens synvinkel genom gradskivmodellens hårkors, och mätningar kan observeras på ett sätt som är anmärkningsvärt likt användningen av en verklig gradskiva.
Den här metoden har vissa begränsningar. En sådan begränsning är att det inte nödvändigtvis finns en enda korrekt orientering för aneurysmen när man tittar på det i fluoroskopi. Detta ledde till flera valideringsförsök helt enkelt på grund av de olika betraktningsvinklarna. Denna begränsning kan ses som en möjlig fördel ur perspektivet att med ytterligare förtrogenhet som kommer från att manipulera 3D-modellen, är det möjligt att läkaren kommer att hitta en optimal vy jämfört med den nuvarande metoden för att bestämma vinklar inom operationssalen. En annan potentiell begränsning med detta protokoll är att det är möjligt att bestämma en betraktningsvinkel i VR som egentligen inte skulle vara möjlig för C-armarna att komma åt. Denna begränsning skulle beaktas och vara känd av läkaren i VR så att specifikationer kunde göras om detta blev en del av den kirurgiska planeringen. En annan begränsning, som bevisar vikten av kvalitetskontrollsteget, är att kärl som är distala om aneurysmen i vissa fall i verkligheten inte syns lika framträdande i fluoroskopiprocedurer som de skulle vara om de inkluderades i modellen i VR. Detta kan tvinga läkaren att vara uppmärksam på ett kärl som inte nödvändigtvis skulle vara i vägen under ingreppet i VR, vilket leder till att en suboptimal betraktningsvinkel genereras i VR. Vid segmentering är det möjligt att segmentera ut majoriteten av blodkärlen och intresseområdet; Interventionalisten kan välja att växla mellan fartygsmodeller för att säkerställa att det inte skulle finnas några ytterligare fartyg i deras betraktningsvinkel, användningen av kontrakt minimerar också denna risk.
Utvecklingen av en gradskiva med 3D-modell och ett protokoll som kan ge vinkelmätningar i flera axlar inom VR har enorm betydelse och lovar ett brett spektrum av potentiella tillämpningar. Fördelarna kan visa sig vara mångfacetterade och potentiellt förbättra olika branscher från arkitektur och teknik till tillverkning och militära tillämpningar. Men som framgår av detta protokoll lyser dess verkliga potential inom hälso- och sjukvården, direkt inom de kirurgiska planeringsdelarna av patientvården. Kirurger kan använda detta verktyg för att noggrant bedöma och planera alla typer av ingrepp genom att kunna visualisera och mäta vinklar direkt i VR. Denna teknik liknar det arbete som utförs för hjärtkateterisering19. En direkt fördel med att känna till vissa vinklar före ingreppet är den betydande minskningen av behovet av en fullständig 360-graders centrifugering under fluoroskopi, en vanlig avbildningsteknik vid reparation av aneurysm. Genom att bestämma de vinklar som krävs för att efterlikna den virtuella kirurgiska färdplanen kan kirurgerna placera utrustningen mer exakt och på så sätt minimera strålningsexponeringen för patienten. Detta bidrar inte bara till patientsäkerheten genom att minimera riskerna i samband med strålningsexponering utan effektiviserar också det kirurgiska ingreppet. Med minskad tid som spenderas på fluoroskopijusteringar kan kirurgiska team arbeta mer effektivt, vilket i slutändan leder till kortare ingreppstider.
De senaste framstegen inom 3D-modellering och virtual reality-teknik gör det möjligt för medicinsk personal att undvika improvisatoriskt tänkande under operationer genom att få en djup förståelse för en patients inre anatomi före operation i alla utom de mest brådskande fallen 1,2,3,4,6,9,11,13,16 . Om tiden tillåter bör medicinsk personal utnyttja användningen av medicinsk bildsegmentering och VR-diagnostik för att öka sin förståelse för fallet innan patienten placeras på operationsbordet. Detta kommer i slutändan att leda till en bättre förståelse för varje unik patient, samt minskad operationstid och tid under narkos.
The authors have nothing to disclose.
Vi riktar ett särskilt tack till granskningskommittén för deras insiktsfulla feedback och till redaktionen för deras ovärderliga kommentarer, expertis, vägledning och stöd under hela skrivprocessen av denna artikel. Vi uppskattar verkligen den samarbetsmiljö som främjas av uppdragspartnerna på OSF HealthCare System, vilket förbättrade kvaliteten på detta arbete. Tack till OSF HealthCare System för att tillhandahålla resurser och stöd och till Advanced Imaging and Modeling Lab på Jump Simulation and Education Center för deras hjälp.
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 |