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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Vi sender en særlig tak til bedømmelsesudvalget for deres indsigtsfulde feedback og til redaktionen for deres uvurderlige kommentarer, ekspertise, vejledning og støtte gennem hele skriveprocessen i denne artikel. Vi sætter stor pris på det samarbejdsmiljø, der fremmes af missionspartnerne hos OSF HealthCare System, hvilket forbedrede kvaliteten af dette arbejde. Tak til OSF HealthCare System for at levere ressourcer og support og til Advanced Imaging and Modeling Lab på Jump Simulation and Education Center for deres hjælp.
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 |