Summary
استبدلت التطورات في علاج الأوعية الدموية الداخلية الإجراءات الجراحية المفتوحة المعقدة بخيارات طفيفة التوغل ، مثل استبدال الصمام وإصلاح تمدد الأوعية الدموية. تقترح هذه الورقة استخدام النمذجة ثلاثية الأبعاد (3D) والواقع الافتراضي للمساعدة في تحديد موضع الذراع C ، وقياسات الزاوية ، وتوليد خارطة الطريق للتخطيط الإجرائي لمختبر القسطرة العصبية التداخلية ، وتقليل وقت الإجراء.
Abstract
العلاج داخل الأوعية الدموية من التشوهات الوعائية المعقدة يحول خطر العمليات الجراحية المفتوحة لصالح الحلول الإجرائية داخل الأوعية الدموية طفيفة التوغل. كانت العمليات الجراحية المفتوحة المعقدة هي الخيار الوحيد لعلاج عدد لا يحصى من الحالات مثل استبدال الصمام الرئوي والأبهري وكذلك إصلاح تمدد الأوعية الدموية الدماغية. ومع ذلك ، نظرا للتقدم في الأجهزة التي يتم توصيلها بالقسطرة وخبرة المشغل ، يمكن الآن تنفيذ هذه الإجراءات (إلى جانب العديد من الإجراءات الأخرى) من خلال إجراءات طفيفة التوغل يتم تسليمها من خلال الوريد أو الشريان المركزي أو المحيطي. يعتمد قرار التحول من الإجراء المفتوح إلى نهج الأوعية الدموية على التصوير متعدد الوسائط ، وغالبا ما يتضمن مجموعات بيانات التصوير الرقمي 3D والاتصالات في الطب (DICOM). باستخدام هذه الصور ثلاثية الأبعاد ، يقوم مختبرنا بإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد للتشريح المرضي ، مما يسمح بالتحليل المسبق الإجرائي اللازم للتخطيط المسبق للمكونات الحرجة لإجراء مختبر القسطرة ، وهي تحديد موضع الذراع C ، والقياس ثلاثي الأبعاد ، وإنشاء خريطة الطريق المثالية. توضح هذه المقالة كيفية أخذ نماذج ثلاثية الأبعاد مجزأة لعلم الأمراض الخاص بالمريض والتنبؤ بمواضع C-arm المعممة ، وكيفية قياس القياسات الحرجة ثنائية الأبعاد (2D) للهياكل ثلاثية الأبعاد ذات الصلة بتوقعات التنظير الفلوري ثنائي الأبعاد ، وكيفية إنشاء نظائر خارطة طريق التنظير الفلوري ثنائية الأبعاد التي يمكن أن تساعد في تحديد موضع الذراع C بشكل صحيح أثناء إجراءات مختبر القسطرة.
Introduction
يعد علاج تمدد الأوعية الدموية داخل الجمجمة جانبا صعبا من الجراحة العصبية التدخلية ، مما يستلزم تخطيطا جراحيا دقيقا لضمان النتائج المثلى للمريض. في السنوات الأخيرة ، أصبحت تقنية الواقع الافتراضي (VR) أداة واعدة لتعزيز التخطيط الجراحي من خلال تزويد الجراحين بإمكانية الوصول إلى نماذج تشريحية غامرة خاصة بالمريض في بيئة افتراضية ثلاثية الأبعاد1،2،3،4،5،6،7،8. تقدم هذه المقالة بروتوكولا شاملا لاستخدام التصوير الطبي والتجزئة ، ونمذجة 3D ، والتخطيط الجراحي VR ، وتوليد خارطة طريق افتراضية مثالية للمساعدة في التخطيط الجراحي لعلاج تمدد الأوعية الدموية.
يتوج الجمع بين هذه الخطوات بنهج التخطيط الجراحي الافتراضي ، مما يسمح للأطباء بالانغماس في بيئة افتراضية واكتساب فهم شامل للتشريح الفريد للمريض قبل إجراء العملية الجراحية. يمكن هذا النهج الغامر الجراحين من استكشاف الوضع الأمثل ومحاكاة السيناريوهات الإجرائية المختلفة. يمكن أن يوفر تسجيل هذه السيناريوهات نظرة ثاقبة حول وضع المعدات الجراحية في العالم الحقيقي ، مثل وضع C-arm.
بالإضافة إلى زوايا تحديد المواقع ، من الممكن أيضا قياس التشريح في بيئة افتراضية باستخدام أدوات القياس المصممة لمساحة 3D. يمكن أن توفر هذه القياسات نظرة ثاقبة على الحجم والشكل الصحيحين للجهاز الذي سيتم استخدامه في حالة تمدد الأوعية الدموية داخل الجمجمة9.
يقدم هذا البروتوكول عملية شاملة تجمع بسلاسة بين التصوير الطبي وتجزئة الصور وإعداد نموذج الواقع الافتراضي وإنشاء خارطة طريق جراحية افتراضية لتعزيز عملية التخطيط الجراحي. باستخدام مزيج من التقنيات المتطورة ، يوفر هذا البروتوكول فرصا لتوفير الوقت الثمين في غرفة العمليات10 ، بالإضافة إلى تعزيز ثقة الجراح وفهمه للحالات الجراحية المعقدة11،12،13.
Protocol
يتم استخدام DICOMs البشرية غير المحددة أو DICOMs لرعاية المرضى وفقا للمبادئ التوجيهية المؤسسية لرعاية المرضى ، وقانون قابلية التأمين الصحي والمساءلة لعام 1996 (HIPAA) ، والتعاون مع مجلس المراجعة المؤسسية (IRB) عند الاقتضاء.
1. Segment patient تشريح خاص
- الحصول على الفحوصات الطبية
- ابدأ عملية التجزئة مع طبيب أو جراح يطلب إجراء فحوصات طبية. هذه الفحوصات هي جزء من بروتوكول رعاية المرضى القياسي ولا تقدم إجراءات إضافية.
- إذا علم الطبيب أنه سيطلب التجزئة ، فتأكد من أنه يطلب مجموعات بيانات مقطعة إلى شرائح رقيقة ليتم تصديرها من التصوير بالرنين المغناطيسي أو ماسح التصوير المقطعي المحوسب. في معظم الحالات ، يكون سمك هذه الشرائح الرفيعة أقل من 1 مم ؛ ومع ذلك ، يمكن أن تختلف هذه الدقة بين الماسحات الضوئية. خذ فحوصات CTA مع التباين من أجل ضمان التجزئة المناسبة للأوعية الدموية وبرك الدم.
- للحصول على البيانات ، احصل على تسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي 3D مع المعلمات المقترحة التالية: تشغيل في محوري ، وضمان سمك الشريحة والمسافة بين شرائح 0.625 مم أو أصغر ، تباعد صفري. احصل على سلسلة CT 3D مع المعلمات المقترحة التالية: ماسح الشرائح في الوضع الحلزوني ، وسمك الشريحة والمسافة بين شرائح 0.625 مم ، على سبيل المثال ، Neuro: Kvp من 120 ، نطاق Smart mA من 100-740 ، سرعة الدوران عند .5 مللي ثانية ، أو Cardiac: Kvp من 70 ، نطاق Smart mA من 201-227 (وضع MA الذكي 226) ، سرعة الدوران عند 0.28 مللي ثانية14. اتبع المعلمات الحلزونية للمؤسسة لكل جزء من أجزاء الجسم.
ملاحظة: يجب الحصول على تسلسل 3D بحيث في إعادة الإعمار ، هناك دقة الخواص القريبة في المستويات المحورية والإكليلية والسهمية. في معظم الحالات ، يجب الحصول على أنحف شرائح. يتم تشغيل تسلسل 3D بالإضافة إلى البروتوكول القياسي للمؤسسة للتصوير. ومع ذلك ، يتم تشغيله في نفس الوقت ، لذلك هناك الحد الأدنى من العمل الإضافي ، والتعرض للإشعاع ، ونفقات الفريق السريري والمريض.
- للحصول على البيانات ، احصل على تسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي 3D مع المعلمات المقترحة التالية: تشغيل في محوري ، وضمان سمك الشريحة والمسافة بين شرائح 0.625 مم أو أصغر ، تباعد صفري. احصل على سلسلة CT 3D مع المعلمات المقترحة التالية: ماسح الشرائح في الوضع الحلزوني ، وسمك الشريحة والمسافة بين شرائح 0.625 مم ، على سبيل المثال ، Neuro: Kvp من 120 ، نطاق Smart mA من 100-740 ، سرعة الدوران عند .5 مللي ثانية ، أو Cardiac: Kvp من 70 ، نطاق Smart mA من 201-227 (وضع MA الذكي 226) ، سرعة الدوران عند 0.28 مللي ثانية14. اتبع المعلمات الحلزونية للمؤسسة لكل جزء من أجزاء الجسم.
- اطلب من الطبيب طلب تجزئة النموذج ، مع تحديد التشريح الذي سيكون التركيز المركزي لعملية التجزئة (عادة ما يكمل الطبيب أو الجراح هذه الخطوة).
- قم بتنزيل بيانات المسح الضوئي وحفظها محليا.
- إذا تم إجراء أكثر من فحص واحد ، فتأكد من مقارنة مجموعات بيانات DICOM من الفحص لتحديد مجموعة المسح التي تحتوي على أنحف إعداد شريحة وأفضل تباين ، حيث سيوفر ذلك نماذج 3D عالية الدقة عند تقسيمها.
- بمجرد تحديد أفضل مجموعة صور ، قم بتنزيلها من قاعدة بيانات الصور للتجزئة أو إخفاء الهوية أو ترك البيانات كما هي مع المعلومات الصحية المحمية (PHI). سيعمل هذا البروتوكول مع DICOM مجهول المصدر.
- استيراد مجموعة بيانات DICOM إلى برنامج التجزئة.
ملاحظة: تستخدم مجموعة التعليمات التالية مصطلحات خاصة ببرنامج تجزئة Materialise Mimics. في حين أن Materialise Suite هو برنامج قائم على الاشتراك ، إلا أن هناك بدائل مفتوحة المصدر مثل 3DSlicer. قد تختلف أسماء الأدوات والمصطلحات عبر أدوات التجزئة الأخرى. - قم بإنشاء قناع خشن للتشريح المستهدف ، مثل العظام ، تجمع الدم ، تمدد الأوعية الدموية ، إلخ.
- ضمن علامة التبويب SEGMENT ، حدد أداة قناع جديد .
- قم بتعيين حدود العتبة العلوية والسفلى عن طريق النقر والسحب لالتقاط أكبر قدر ممكن من تشريح الهدف ذي الصلة مع الحد من التقاط الأنسجة المحيطة. انقر واسحب الحدود داخل أداة العتبة أو أدخل وحدة Hounsfield (HU) المطلوبة.
- أثناء تعيين العتبات ، قم بالقص إلى منطقة معينة من الفحص لتجنب الاختيار الزائد للأنسجة المحيطة. تختلف حدود العتبة العلوية والسفلية اختلافا كبيرا اعتمادا على نوع الفحص ونوع التسلسل ومقدار التباين والمريض.
- انقر فوق "موافق " لإنهاء القناع الخام.
- استخدم أدوات أخرى ضمن علامة التبويب SEGMENT لإزالة الأجزاء غير الضرورية من القناع أو إضافة الأنسجة المفقودة حسب الحاجة.
- استخدم أداة Region Grow لفصل جميع voxels للقناع المتصل مباشرة ب voxel المحدد من قبل المستخدم ؛ استخدام تحرير القناع لإضافة أو إزالة voxels في القناع عبر كل من النوافذ 2D و 3D ؛ استخدام تحرير شرائح متعددة لإضافة أو إزالة voxels من خلال الاستيفاء بين شرائح متباعدة ؛ واستخدم ثقوب التعبئة أو التعبئة الذكية لملء ثقوب بحجم معرف من قبل المستخدم داخل القناع.
- استمر في تحسين القناع باستخدام الأدوات الموجودة في علامة التبويب حتى يصبح الاستيفاء من 2D إلى 3D دقيقا قدر الإمكان.
- كرر الخطوتين 1.5 و1.6 لجميع عمليات التشريح المستهدفة.
- استشر الطبيب فيما يتعلق بالتقسيم المكتمل لضمان الدقة.
- اعرض الأقنعة المكتملة على الطبيب للتأكد من عدم حذف التشريح المهم وعدم تضمين التشريح الزائد. في معظم الحالات ، استشر الطبيب الذي يطلب التجزئة لمراقبة الجودة. يضمن الطبيب أن جزء DICOM الذي يبرزه القناع على كل شريحة دقيق قدر الإمكان (انظر الشكل 1).
- تجزئة التصدير لمزيد من المعالجة.
- قم بتحويل الأقنعة النهائية إلى أجزاء باستخدام أداة حساب الجزء الموجودة في قائمة إدارة المشروع على الجانب الأيمن.
- تصدير الأجزاء المحسوبة إلى ملفات 3D عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على الجزء وتحديد تصدير STL.
2. إعداد نموذج للواقع الافتراضي
- قم بإنشاء مشروع Blender جديد وإزالة عناصر المشهد الافتراضية. اضغط على المفتاح لتمييز جميع العناصر المرئية ، ثم x متبوعا ب Enter لإزالتها من المشهد.
ملاحظة: Blender هو برنامج نمذجة مجاني ومفتوح المصدر. في حين أن برامج النمذجة الأخرى قد تكون قادرة على إنجاز نفس المهام ، فإن المصطلحات المستخدمة في هذه الخطوة ستكون خاصة ب Blender. - استيراد ملفات التشريح من خلال ملف > استيراد > Stl (.stl).
- محاذاة تشريح المريض مع أصل العالم.
- حدد كل تشريح المريض من أجل الحفاظ على الوضع النسبي. للقيام بذلك ، اضغط على المفتاح a بعد استيراد كافة الملفات.
- استخدم أدوات النقل والتدوير لمحاذاة التشريح مع أصل العالم. تأكد من محاذاة أنف المريض مع محور واحد ، مع اتصال المحور العمودي بمنطقة الأذن وأعلى الجمجمة ، على التوالي. استخدم طرق العرض الإملائية ، والتي يمكن تنشيطها باستخدام الأداة في الزاوية اليمنى العليا من واجهة الخلاط.
- استيراد منقلة الواقع الافتراضي ومواءمتها مع تشريح المريض. تم تصميم هذه المنقلة خصيصا من قبل الفريق الهندسي OSF للمساعدة في الحصول على زوايا C-arm في الواقع الافتراضي ، بناء على الزوايا في مساحة 3D.
- استيراد ملف المنقلة .stl من الملف التكميلي 1.
- محاذاة (0,0) على المنقلة ، ممثلة بأطول علامة قياس ، مع أنف المريض. وجه الفجوة في أذرع المنقلة نحو أقدام المريض.
- قم بتوسيع نطاق المنقلة وفقا لذلك. في معظم الحالات ، قم بتوسيع نطاق المنقلة صغيرة جدا لضمان سهولة القياس بعد التوسع في الواقع الافتراضي. في حالة تمدد الأوعية الدموية ، حاول توسيع نطاق المنقلة بطريقة تقع خارج منطقة تمدد الأوعية الدموية مباشرة.
- قم بمحاذاة أصول التشريح مع أصل العالم.
- انقر بزر الماوس الأيمن فوق في إطار العرض الرئيسي وحدد انطباق > المؤشر إلى الأصل العالمي. هذا يضمن محاذاة مؤشر 3D مع الأصل العالمي.
- حدد جميع الطرز المرئية باستخدام المفتاح a .
- انقر بزر الماوس الأيمن ، وانقر في إطار العرض وحدد تعيين الأصل > الأصل إلى مؤشر 3D. يعمل هذا على محاذاة أصل 3D لجميع الطرز إلى نفس النقطة ، مما يضمن أنها ستصطف وتتوسع بشكل صحيح عند استيرادها إلى الواقع الافتراضي.
- أضف نسيجا أو لونا إلى النماذج حسب الرغبة للحصول على تمييز أفضل في الواقع الافتراضي.
- هذه خطوة اختيارية. حدد ملفات .stl الفردية ، ثم انقر فوق علامة التبويب خصائص المواد على الجانب الأيمن من الشاشة. ضمن علامة التبويب هذه ، يمكن ضبط اللون الأساسي على اللون المطلوب. كرر هذه الخطوة لكل كائن لإضافة لون.
- تصدير النموذج النهائي كنموذج واحد. GLB / .gltf. تأكد من عدم تحديد أي من خيارات الحد من ضمن علامة التبويب تضمين في نافذة التصدير.
ملاحظة: ال. يعكس تنسيق الملف glb / .gltf نوع الملف المطلوب للاستخدام في برنامج VR ، وكذلك للتحميل إلى مكتبة NIH 3D. قد تكون هناك حاجة إلى أنواع تصدير أخرى لبرامج مختلفة.
3. تدريب المهنيين الطبيين على الواقع الافتراضي
ملاحظة: تمت كتابة التعليمات التالية لاستخدامها مع برنامج الفصل الدراسي الرقمي Enduvo. في حين أنه قد يكون من الممكن استخدام برامج عرض 3D أخرى ، فإن القدرة على تحريك النماذج ووضع الكاميرات وتحديد موقع الطبيب هي بعض الميزات التي تجعل هذا البرنامج مثاليا لهذا الإجراء. قد تحتوي سماعات الرأس وأجهزة التحكم والبرامج المختلفة للواقع الافتراضي على عناصر تحكم مختلفة.
- إنشاء درس جديد.
- قم باستيراد ملف .gltf الذي تم تصديره في الخطوة 2.7 في قائمة إنشاء الدرس. قد ينتج البرنامج رسالة تنص على: نوع الملف (GLB) الذي تحاول تحميله غير مدعوم بالكامل حاليا. تجاهل هذه الرسالة وانقر فوق الزر تأكيد .
- افتح الدرس في الواقع الافتراضي لوضع اللمسات الأخيرة.
- باستخدام قائمة الشفافية التي يتم الوصول إليها عن طريق الضغط لأسفل على لوحة الإبهام أو عصا التحكم في وحدة تحكم واحدة ، قم بإخفاء جميع الطرز باستثناء التشريح المستهدف. يجب أن يكون تمدد الأوعية الدموية هو النموذج الوحيد المرئي.
- ضع الجراح أو الطبيب في الواقع الافتراضي واسمح لهم ببعض الوقت للتعرف على مساحة 3D والوظائف والتشريح في الدرس.
- بمجرد أن يشعر الجراح بالراحة مع التشريح ، ابدأ التسجيل.
- ابدأ تشغيل وظيفة التسجيل باستخدام الزر الافتراضي في مساحة الواقع الافتراضي أو زر التسجيل على الشاشة الثانوية.
- دع الجراح يقوم بتدوير التشريح المستهدف للعثور على زوايا المشاهدة المفضلة لكل من مناظر التنظير الأمامي الخلفي (AP) والتنظير الجانبي. بعد العثور على زاوية مفضلة ، اطلب من الجراح التوقف لفترة وجيزة وذكر أنه وجد زاوية مفضلة وما إذا كانت زاوية الرؤية الحالية AP أو جانبية.
- بعد العثور على جميع الزوايا المفضلة ، توقف عن التسجيل إما باستخدام زر الواقع الافتراضي أو الشاشة الخارجية.
4. توليد خارطة طريق التنظير الفلوري في الواقع الافتراضي
- الحصول على نظائر التنظير الفلوري باستخدام وضع الجراح المسجل.
- ضع صورة تحاكي خلفية الصبغة الرمادية لصورة التنظير الفلوري خلف النموذج في الفضاء الافتراضي. استخدم زر التحديد على وحدة التحكم ، وغالبا ما يكون المشغل الموجود على الجانب الخلفي من وحدة التحكم ، لمعالجة الصورة حسب الحاجة. هذا يخلق لون خلفية متسق مما يسهل عرض التشريح وهو أكثر تمثيلا للتنظير الفلوري.
- ضع الكاميرا بما يتماشى مع وجهة نظر الجراح في الوقت المعلن كزاوية عرض مفضلة ، مع التأكد من توجيه الكاميرا تقريبا إلى مركز التشريح المستهدف. سيظهر الجراح كمجموعة من النظارات العائمة ووحدتي تحكم في الواقع الافتراضي.
- التقط لقطة 2D بالكاميرا في الموضع المطلوب. كرر الخطوة لكل زاوية مفضلة.
- الحصول على زوايا الذراع C باستخدام حركات الجراح والمنقلة .
- أوقف الدرس المسجل مؤقتا عندما يعلن الجراح عن زاوية عرض مفضلة.
- انقر فوق لوحة التعقب لفتح القائمة السريعة وحدد خانة الاختيار تشغيل/إيقاف لإظهار المنقلة المرفقة بالطراز.
- استخدم زر الإمساك بوحدة التحكم لتحديد مؤشر أو حافة مستقيمة ومعالجتها بما يتماشى مع وجهة نظر الجراح ، ويمر أيضا عبر أصل المنقلة.
- تراجع عن النموذج وشاهد الزوايا من وجهات النظر الإملائية المقابلة لحركات الذراع C.
- بالنسبة لحالة طب الأعصاب مع توجيه أنف المريض إلى 0 درجة على جميع محاور الذراع C ، خذ زوايا AP من المستويات السهمية والمحورية. خذ الزوايا الجانبية من الطائرات الإكليلية والمحورية. في كلتا الحالتين ، يتوافق المستوى المحوري مع الزاويتين اليمنى واليسرى للذراع C ، بينما تتوافق المستويات السهمية والإكليلية مع الزوايا القحفية والذيلية.
- كرر الخطوات أعلاه لكل زاوية مفضلة.
Representative Results
باتباع البروتوكول المقدم ، يمكن إنشاء خرائط طريق جراحية افتراضية لكل من طرق عرض AP والتنظير الفلوري الجانبي. يتم إنشاء خرائط الطريق هذه عن طريق وضع كاميرا في وجهة نظر الجراح في الواقع الافتراضي لالتقاط وجهات نظرهم المثالية AP والمناظر الجانبية مع وضع خلفية ملونة خلف تشريح الهدف لتكرار صورة التنظير الفلوري بشكل أفضل. يتم استخدام منقلة الواقع الافتراضي في هذه المرحلة لتسجيل الزاوية التي يرى الجراح من خلالها تشريح الهدف ، وتسجيلها على أنها مائلة أمامية يمينية أو يسارية (RAO / LAO - إزاحة الكاميرا إلى يمين المريض أو يساره ، على التوالي) ، والجمجمة أو الذيلية الأمامية (CRA / CAA - إزاحة الكاميرا باتجاه رأس المريض أو قدميه ، على التوالي)15. عند تطوير هذه العملية ، تم استخدام الحالات بأثر رجعي لتوفير القدرة على مقارنة الزوايا المقاسة في الواقع الافتراضي مع الزوايا الفعلية المستخدمة في أجهزة C-arm في الجراحة. تم اختيار ثلاث حالات مختلفة بأثر رجعي لهذه العملية ، حيث تم علاج كل حالة بجهاز جراحي مختلف. يظهر تنوع هذه الحالات الثلاث تنوع البروتوكول المقدم. طلب من الجراح العثور على AP المفضل والزوايا الجانبية دون الرجوع إلى زوايا الذراع C المستخدمة أثناء الإجراء ، ثم تمت مقارنة قياسات الواقع الافتراضي بمواضع الذراع C الموجودة مسبقا.
في الحالة 1 ، تم قياس زاوية عرض AP المفضلة المعلنة في الواقع الافتراضي على أنها 16 درجة CRA و 12 درجة RAO. كانت القياسات الفعلية المستخدمة في الجراحة لهذه الحالة 11 درجة CRA و 13 درجة RAO. الحد الأقصى للخطأ بين هذه القياسات هو 5 درجات على محور الجمجمة / الذيلية. يوضح الشكل 2 أ عرض AP المعلن للجراح في الواقع الافتراضي ، متبوعا بالشكل 2B ، الذي يوضح الزاوية الفعلية المستخدمة في الجراحة كما هو موضح في الواقع الافتراضي ، والشكل 2C ، الذي يوضح صورة التنظير الفلوري الجراحي. تظهر مقارنة الصور الثلاث أن صور الواقع الافتراضي تشبه بشكل غير عادي صورة التنظير الفلوري الفعلية في نفس الزاوية.
عرضت النظرة الجانبية لنفس الحالة واحدة من العديد من التحديات لهذه العملية بسبب نموذج 3D الذي يتم مراجعته بشكل غير كاف. بسبب هذه المراجعة الخاطئة ، كانت هناك بعض الأوعية الدخيلة المجزأة التي ، وفقا للجراح ، أعاقت رؤيتهم لتمدد الأوعية الدموية في الواقع الافتراضي وغير متصلة بالتشريح المستهدف ، وعلى هذا النحو ، لا تنعكس بدقة في الواقع الافتراضي. كانت هذه التناقضات نتيجة لسوء التواصل في التشريح المستهدف المطلوب أثناء جلسة مراقبة الجودة مع الطبيب. يمكن رؤية هذه التناقضات في الشكل 2D-F ، الذي يوضح الجانب المعلن للجراح ، وتمثيل الواقع الافتراضي بناء على زوايا التنظير الفلوري الجراحي ، وصور التنظير الفلوري الفعلية من اليسار إلى اليمين ، على التوالي. باستثناء الأوعية الدخيلة ، فإن عرض AP المعلن للجراح يشبه إلى حد كبير صورة التنظير الفلوري الفعلية ، على الرغم من أن القياسات المأخوذة كانت 6 درجات و 26 درجة في المستويين الإكليلي والمحوري ، على التوالي. يصور تكرار القياسات الفعلية في الواقع الافتراضي ، كما هو موضح في الشكل 2E ، أيضا وجهة نظر مماثلة للتنظير الفلوري الحقيقي الموضح على يمين الشكل 2F ، مع التناقض الرئيسي هو الأوعية الإضافية الشاذة. استخدمت هذه الحالة وضعا يدويا أقل موثوقية لأداة المنقلة ، مما قد يفسر الاختلاف الطفيف في القياس. تستخدم الحالات المستقبلية منقلة مرتبطة بالتشريح من أجل ضمان أقصى قدر من الدقة لقياسات الزاوية المأخوذة في الواقع الافتراضي.
في الحالتين 2 و 3 ، لم تكن المشاهدات المختارة لتكون مثالية في الواقع الافتراضي ممثلة للآراء المستخدمة في الإجراء الفعلي. كان هذا نتيجة للوضع الأولي للنماذج في الواقع الافتراضي كونه دراسة عمياء. من المهم ملاحظة أن الجراح أعرب عن أن إجراءات التنظير الفلوري يمكن أن يكون لها زوايا علاج متعددة مقبولة ، وليس هناك بالضرورة زاوية صحيحة. لغرض المقارنة ، تم التقاط الصور في الواقع الافتراضي من الزوايا الجراحية المبلغ عنها. يوضح الشكل 3 عرض VR AP في الشكل 3A وعرض AP الجراحي في الشكل 3B. في الشكل 3 ، يمكن إجراء مقارنة مماثلة بين المناظر الجانبية في الشكل 3C ، D للحالة 2. بالنسبة للحالة 3 ، يوضح الشكل 4 مقارنة AP الشكل 4A ، B ، بالإضافة إلى المقارنة الجانبية الشكل 4C ، D. توضح أوجه التشابه بين صور الواقع الافتراضي والتنظير الفلوري لهذه الحالات قدرة الواقع الافتراضي على استخدامها في التخطيط الجراحي.
فائدة مهمة لهذا البروتوكول هو تحسين التخطيط الجراحي من خلال الاستفادة من نماذج 3D في بيئة الواقع الافتراضي. أظهرت دراسة سابقة حول فعالية الواقع الافتراضي في التخطيط الجراحي لحالات الأورام المعقدة أن ما يقرب من 50٪ من الحالات التي استخدمت استخدام الواقع الافتراضي غيرت النهج الجراحي من الخطة الموضوعة باستخدام مجموعات بيانات 2D فقط9. كما ثبت أن الواقع الافتراضي مفيد في عملية التخطيط الجراحي لاستئصال ورم الكبد16,17 ، بالإضافة إلى الإجراءات التي تنطوي على أمراض الرأس والرقبة18. ذكر الجراح المشارك في إنشاء هذا البروتوكول أن: في الواقع الافتراضي أستطيع أن أرى [التشريح] بشكل أفضل بكثير ، مما يدل على فائدة الواقع الافتراضي لتطبيقات جراحة الأعصاب داخل الأوعية الدموية.
الشكل 1: لقطة شاشة من داخل برنامج التجزئة. تظهر لقطة الشاشة التشريح المميز بناء على الأقنعة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: الحالة 1. (أ) منظر أمامي خلفي للحالة 1 كما وضعه جراح التشغيل في الواقع الافتراضي. (ب) عرض أمامي خلفي للحالة 1 في الواقع الافتراضي بناء على قياسات الزاوية المأخوذة أثناء الجراحة. (ج) التنظير الفلوري الأمامي الخلفي الذي تم التقاطه أثناء الجراحة. (د) عرض جانبي للحالة 1 كما وضعها جراح التشغيل في الواقع الافتراضي. (ه) عرض جانبي للحالة 1 في الواقع الافتراضي بناء على قياسات الزاوية المأخوذة أثناء الجراحة. (F) منظر التنظير الفلوري الجانبي الذي تم التقاطه أثناء الجراحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: الحالة 2. (أ) منظر أمامي خلفي للحالة 2 في الواقع الافتراضي بناء على قياسات الزاوية المأخوذة أثناء الجراحة. (ب) عرض التنظير الفلوري الأمامي الخلفي للحالة 2 التي تم التقاطها أثناء الجراحة. (ج) عرض جانبي للحالة 2 في الواقع الافتراضي بناء على قياسات الزاوية المأخوذة أثناء الجراحة. (د) عرض التنظير الفلوري الجانبي للحالة 2 التي تم التقاطها أثناء الجراحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: الحالة 3. (أ) منظر أمامي خلفي للحالة 3 في الواقع الافتراضي بناء على قياسات الزاوية المأخوذة أثناء الجراحة. (ب) عرض التنظير الفلوري الأمامي الخلفي للحالة 3 التي تم التقاطها أثناء الجراحة. (ج) عرض جانبي للحالة 3 في الواقع الافتراضي بناء على قياسات الزاوية المأخوذة أثناء الجراحة. (د) عرض التنظير الفلوري الجانبي للحالة 3 التي تم التقاطها أثناء الجراحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الملف التكميلي 1: تم تطوير نموذج 3D من المنقلة واستخدامها للبروتوكول في شكل ملف STL. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
Discussion
تم تقديم النمذجة ثلاثية الأبعاد إلى سير العمل الطبي مع ظهور تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد2،3،4،6،7،9،11 ، لكن الواقع الافتراضي يوفر تطبيقات جديدة لتقنية 3D تتجاوز كائن ثلاثي الأبعاد مادي. تسمح الجهود المبذولة لتكرار التشريح والسيناريوهات في عالم افتراضي بالممارسة الطبية الشخصية على المرضى الفرديين1،2،3،4،9،11،13،16. يوضح هذا العمل القدرة الواسعة على إنشاء محاكاة جديدة قبل الجراحة في عالم رقمي بأقل جهد ممكن.
في جميع أنحاء البروتوكول المقدم ، هناك العديد من الخطوات التي تعتبر حاسمة لنجاح القضية. العامل الأكثر أهمية في تحقيق نتائج كافية مع القرار المناسب هو الحصول على التصوير الطبي الصحيح. لا تتطلب العملية المقدمة فحوصات إضافية على المريض ، باستخدام فحص CTA القياسي المقرر لكل حالة تمدد الأوعية الدموية داخل الجمجمة. ستقوم معظم الماسحات الضوئية بتخزين عمليات المسح الضوئي لفترة قصيرة ، اعتمادا على طراز الماسح الضوئي وبروتوكول النظام الصحي ، مما يسمح لفني التصوير بتحميل الشرائح الرفيعة المكتسبة من عمليات المسح التي عادة ما لا يتم تخزين شرائح أقل من 1 مم لفترة أطول من بضعة أيام بسبب حجم التخزين. تسمح هذه الشرائح الرفيعة بمزيد من التفاصيل وإدراج تشريح أصغر ، مثل الأوعية الدموية. بعد إجراء التجزئة ، يجب إكمال مراقبة جودة الطبيب لضمان أن نماذج 3D التي تم إنشاؤها تمثل تشريح المريض بأكبر قدر ممكن من الدقة في الخطوات المستقبلية. يجب أن تكون مراقبة الجودة لجميع النماذج جزءا من عملية التجزئة ، مما يقلل إلى أدنى حد من احتمال انتشار الخطأ طوال الفترة المتبقية من البروتوكول. تشمل مراقبة الجودة حدود الأوعية الدموية وتقسيم تمدد الأوعية الدموية بشكل منفصل عن الأوعية المحيطة ، على غرار الطريقة التي ستظهر بها مع التباين. تعتبر مراقبة الجودة مع الطبيب ذات أهمية قصوى حيث يتحمل الطبيب المسؤولية الكاملة عن دقة النماذج ، خاصة إذا كانت النماذج ستستخدم في اتخاذ مزيد من القرارات بشأن علاج المريض. في بعض الحالات ، قد يكون من الممكن أو العملي للطبيب إكمال خطوة التجزئة بنفسه.
الخطوة المهمة التالية في البروتوكول هي الحفاظ على محاذاة النموذج المكاني مع دمج أداة قياس المنقلة. أثبت Blender أنه أداة مفيدة للغاية لهذه الخطوة لأنه يسمح بدمج أنواع ملفات STL المتعددة في ملف واحد مدمج مع طبقات متعددة ، كل منها محاذي مكانيا ويمكن تلوينه أو نسيجه لمزيد من الوضوح. بالإضافة إلى ذلك ، خلال هذه الخطوة ، تتم إضافة المنقلة STL بحيث يمكن جمع بيانات الزاوية في الواقع الافتراضي. تم تطوير نموذج المنقلة هذا خصيصا باستخدام أداة التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) ، SolidWorks. بالاستفادة من أدوات تحديد الأبعاد عالية الدقة داخل البرنامج ، تم إنشاء قوس بعلامات التشنج اللاإرادي التي تشير إلى كل 5 درجات في جميع المحاور الثلاثة. تحتوي المنقلة أيضا على شعيرات متصالبة تدل على المركز الحقيقي لهذا النموذج وتسمح بالمحاذاة إلى مركز تشريح المريض. يوجد أيضا شريط كبير داخل النموذج يدل على (0,0) ويجب محاذاته مع أنف المريض. أيضا ، من المهم ملاحظة أن هذا تم يدويا وكان من الممكن أن يزيد من نسبة الخطأ. المحاذاة ذات أهمية قصوى لضمان دقة جميع قياسات الزاوية المحتملة. بمجرد محاذاة النموذج بشكل صحيح ، يكون جاهزا للواقع الافتراضي ، حيث يسمح تسجيل وضع الطبيب للنموذج بتحديد الزوايا التي تم وضع النموذج فيها في المستقبل. أثناء التسجيل ، يتم تسجيل كل شيء داخل الفضاء الافتراضي بالإشارة إلى بعضها البعض ، والأهم من ذلك وجهة نظر الطبيب (POV) وحركات النماذج ودورانها. مع الاستفادة الكاملة من هذا التسجيل وميزة الإيقاف المؤقت ، يتم وضع حافة مستقيمة من POV الخاص بالطبيب من خلال تقاطع نموذج المنقلة ، ويمكن ملاحظة القياسات بطريقة مشابهة بشكل ملحوظ لاستخدام المنقلة الفعلية.
هذه المنهجية لديها بعض القيود. أحد هذه القيود هو أنه لا يوجد بالضرورة اتجاه واحد صحيح لتمدد الأوعية الدموية عند مشاهدته في التنظير الفلوري. أدى ذلك إلى محاولات متعددة للتحقق من الصحة ببساطة بسبب زوايا المشاهدة المختلفة. يمكن اعتبار هذا القيد فائدة محتملة من منظور أنه مع الألفة الإضافية التي تأتي من التلاعب بنموذج 3D ، من الممكن أن يجد الطبيب وجهة نظر مثالية مقارنة بالطريقة الحالية لتحديد الزوايا داخل جناح التشغيل. هناك قيد محتمل آخر لهذا البروتوكول وهو أنه من الممكن تحديد زاوية عرض في الواقع الافتراضي لن يكون من الممكن في الواقع الوصول إليها C-arms. سيتم أخذ هذا القيد في الاعتبار ومعرفته من قبل الطبيب في الواقع الافتراضي بحيث يمكن وضع المواصفات إذا أصبح هذا جزءا من التخطيط الجراحي. هناك قيد آخر ، يثبت أهمية خطوة مراقبة الجودة ، وهو أنه في بعض الحالات ، لا ينظر إلى الأوعية البعيدة عن تمدد الأوعية الدموية ، في الواقع ، بشكل بارز في إجراءات التنظير الفلوري كما لو تم تضمينها في النموذج في الواقع الافتراضي. هذا يمكن أن يجبر الطبيب على أن يكون على دراية بوعاء لن يكون بالضرورة في الطريق أثناء الإجراء في الواقع الافتراضي ، مما يؤدي إلى إنشاء زاوية رؤية دون المستوى الأمثل في الواقع الافتراضي. في التجزئة ، من الممكن تقسيم غالبية الأوعية الدموية ومنطقة الاهتمام ؛ يمكن للتدخل أن يختار التبديل بين نماذج السفن لضمان عدم وجود سفن إضافية في زاوية رؤيتها ، كما أن استخدام العقد يقلل من هذا الخطر أيضا.
إن تطوير منقلة نموذج 3D وبروتوكول يمكن أن يوفر قياسات زاوية في محاور متعددة داخل الواقع الافتراضي يحمل أهمية كبيرة ويعد بمجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة. يمكن أن تكون الفوائد متعددة الأوجه ، مما قد يعزز الصناعات المختلفة من الهندسة المعمارية والهندسة إلى التصنيع والتطبيقات العسكرية. ومع ذلك ، كما هو موضح في هذا البروتوكول ، فإن إمكاناته الحقيقية تتألق في مجال الرعاية الصحية ، مباشرة ضمن أجزاء التخطيط الجراحي لرعاية المرضى. يمكن للجراحين استخدام هذه الأداة لتقييم وتخطيط جميع أنواع الإجراءات بدقة من خلال القدرة على تصور وقياس الزوايا مباشرة في الواقع الافتراضي. تشبه هذه التقنية العمل المنجز لقسطرة القلب19. تتمثل إحدى الفوائد المباشرة لمعرفة زوايا معينة قبل الإجراء في الانخفاض الكبير في الحاجة إلى دوران كامل بزاوية 360 درجة أثناء التنظير الفلوري ، وهي تقنية تصوير شائعة الاستخدام أثناء إصلاح تمدد الأوعية الدموية. من خلال تحديد الزوايا المطلوبة لتقليد خارطة الطريق الجراحية الافتراضية ، يمكن للجراحين وضع المعدات بشكل أكثر دقة ، وبالتالي تقليل التعرض للإشعاع للمريض. هذا لا يساهم فقط في سلامة المرضى من خلال تقليل المخاطر المرتبطة بالتعرض للإشعاع ولكن أيضا يبسط الإجراء الجراحي. مع تقليل الوقت المستغرق في تعديلات التنظير الفلوري ، يمكن للفرق الجراحية العمل بكفاءة أكبر ، مما يؤدي في النهاية إلى أوقات إجراء أقصر.
تسمح التطورات الحديثة في النمذجة ثلاثية الأبعاد وتكنولوجيا الواقع الافتراضي للطاقم الطبي بتجنب التفكير الارتجالي أثناء العمليات الجراحية من خلال الحصول على فهم عميق للتشريح الداخلي للمريض قبل العملية في جميع الحالات باستثناء الحالات الأكثر إلحاحا1،2،3،4،6،9،11،13،16. إذا سمح الوقت ، يجب على الطاقم الطبي الاستفادة من استخدام تجزئة الصور الطبية وتشخيصات الواقع الافتراضي لتعزيز فهمهم للحالة قبل وضع المريض على طاولة العمليات. سيؤدي ذلك في النهاية إلى فهم أفضل لكل مريض فريد ، بالإضافة إلى تقليل وقت الجراحة ووقتها تحت التخدير.
Disclosures
ماثيو براملت هو المؤسس المشارك لشركة Enduvo، Inc. يعلن المؤلفون الباقون أنه ليس لديهم مصالح مالية ذات صلة أو مادية تتعلق بالبحث الموصوف في هذه الورقة.
Acknowledgments
نتقدم بشكر خاص إلى لجنة المراجعة على ملاحظاتهم الثاقبة ، وإلى التحرير على تعليقاتهم وخبراتهم وتوجيهاتهم ودعمهم الذي لا يقدر بثمن طوال عملية كتابة هذه المقالة. نحن نقدر تقديرا كبيرا البيئة التعاونية التي عززها شركاء المهمة في نظام OSF للرعاية الصحية ، والتي عززت جودة هذا العمل. شكرا لنظام OSF HealthCare لتوفير الموارد والدعم ولمختبر التصوير والنمذجة المتقدم في مركز Jump Simulation and Education لمساعدتهم.
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 |
References
- Xia, J., et al. Three-dimensional virtual reality surgical planning and simulation workbench for orthognathic surgery. Int J Adult Orthodon Orthognath Surg. 15 (4), 265-282 (2000).
- Boedecker, C., et al. Using virtual 3D-models in surgical planning: workflow of an immersive virtual reality application in liver surgery. Langenbecks Arch Surg. 406, 911-915 (2021).
- Reitinger, B., Bornik, A., Beichel, R., Schmalstieg, D. Liver surgery planning using virtual reality. IEEE Comput Graph Appl. 26 (6), 36-47 (2006).
- Robiony, M., et al. Virtual reality surgical planning for maxillofacial distraction osteogenesis: The role of Reverse Engineering Rapid Prototyping and cooperative work. J Oral Maxillofacial Surg. 65 (6), 1198-1208 (2007).
- Xia, J., et al. Three-dimensional virtual-reality surgical planning and soft-tissue prediction for orthognathic surgery. IEEE Trans Info Tech Biomed. 5 (2), 97-107 (2001).
- Kim, Y., Kim, H., Kim, Y. O. Virtual reality and augmented reality in plastic surgery: A Review. Arch Plastic Surg. 44 (3), 179-187 (2017).
- Ayoub, A., Pulijala, Y. The application of virtual reality and augmented reality in oral & maxillofacial surgery. BMC Oral Health. 19 (1), 238 (2019).
- Ulbrich, M., et al. Advantages of a training course for surgical planning in virtual reality for oral and maxillofacial surgery: Crossover study. JMIR Serious Games. 11, e40541 (2023).
- Lyuksemburg, V., et al. Virtual reality for preoperative planning in complex surgical oncology: A single-center experience. J Surg Res. 291, 546-556 (2023).
- Macario, A. What does one minute of operating room time cost. J Clin Anesth. 22 (4), 233-236 (2010).
- Bramlet, M., et al. Virtual reality visualization of patient specific heart model. J Cardiovasc Mag Res. 18 (1), 13 (2016).
- Guillot, A., et al. Relationship between spatial abilities, mental rotation and functional anatomy learning. Adv Health Sci Edu. 12 (4), 491-507 (2006).
- Juhnke, B., et al. Use of virtual reality for pre-surgical planning in separation of conjoined twins: A case report. Proc Inst Mech Eng H. 233 (12), 1327-1332 (2019).
- Mattus, M. S., et al. Creation of patient-specific silicone cardiac models with applications in pre-surgical plans and hands-on training. J Vis Exp. (180), e62805 (2022).
- Kern, M. Angiographic projections made simple: An easy guide to understanding oblique views. Cath Lab Digest. 19 (8), (2011).
- Reinschluessel, A. V., et al. Virtual reality for surgical planning - evaluation based on two liver tumor resections. Front Surg. 9, 821060 (2022).
- Tang, R., et al. Augmented reality technology for preoperative planning and intraoperative navigation during Hepatobiliary Surgery: A review of current methods. Hepatobiliary Pancreat Dis Int. 17 (2), 101-112 (2018).
- Manzie, T., et al. Virtual reality digital surgical planning for jaw reconstruction: A usability study. ANZ J Surg. 93 (5), 1341-1347 (2023).
- Corren, Y. B., et al. CT-based Simulation of Projection Angiography Using the SlicerHeart Virtual Cath Lab [Poster Presentation]. World Congress of Pediatric Cardiology and Cardiac Surgery. , (2023).
