Fremskritt innen endovaskulær behandling har erstattet komplekse åpne kirurgiske prosedyrer med minimalt invasive alternativer, som ventilutskifting og aneurysmreparasjon. Dette papiret foreslår å bruke tredimensjonal (3D) modellering og virtuell virkelighet for å hjelpe til med C-armposisjonering, vinkelmålinger og veikartgenerering for nevrointervensjonell kateteriseringsprosessuell planlegging, minimering av prosedyretid.
Endovaskulær behandling av komplekse vaskulære anomalier endrer risikoen for åpne kirurgiske prosedyrer til fordel for minimalt invasive endovaskulære prosedyreløsninger. Komplekse åpne kirurgiske prosedyrer pleide å være det eneste alternativet for behandling av en myriade av tilstander som lunge- og aortaklaffutskifting samt reparasjon av cerebral aneurisme. På grunn av fremskritt innen kateterleverte enheter og operatørekspertise, kan disse prosedyrene (sammen med mange andre) nå utføres gjennom minimalt invasive prosedyrer levert gjennom en sentral eller perifer vene eller arterie. Beslutningen om å skifte fra en åpen prosedyre til en endovaskulær tilnærming er basert på multimodal bildebehandling, ofte inkludert 3D Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) bildedatasett. Ved hjelp av disse 3D-bildene genererer laboratoriet vårt 3D-modeller av den patologiske anatomien, og tillater dermed den pre-prosessuelle analysen som er nødvendig for å forhåndsplanlegge kritiske komponenter i kateteriseringslaboratorieprosedyren, nemlig C-armposisjonering, 3D-måling og idealisert veikartgenerering. Denne artikkelen beskriver hvordan du tar segmenterte 3D-modeller av pasientspesifikk patologi og forutsier generaliserte C-armposisjoner, hvordan man måler kritiske todimensjonale (2D) målinger av 3D-strukturer som er relevante for 2D-fluoroskopiprojeksjonene, og hvordan man genererer 2D-fluoroskopi veikartanaloger som kan hjelpe til med riktig C-armposisjonering under kateteriseringslaboratorieprosedyrer.
Behandling av intrakranielle aneurismer er et utfordrende aspekt ved nevrointervensjonskirurgi, noe som krever presis kirurgisk planlegging for å sikre optimale pasientutfall. I de senere år har virtuell virkelighet (VR) -teknologi blitt et lovende verktøy for å forbedre kirurgisk planlegging ved å gi kirurger tilgang til nedsenkende, pasientspesifikke anatomiske modeller i et virtuelt 3D-miljø 1,2,3,4,5,6,7,8 . Denne artikkelen presenterer en omfattende protokoll for bruk av medisinsk bildebehandling og segmentering, 3D-modellering, VR-kirurgisk planlegging og idealisert virtuell veikartgenerering for å hjelpe til med kirurgisk planlegging for behandling av aneurismer.
Kombinasjonen av disse trinnene kulminerer i en virtuell kirurgisk planleggingstilnærming, slik at leger kan fordype seg i et virtuelt miljø og få en omfattende forståelse av pasientens unike anatomi før en kirurgisk prosedyre. Denne oppslukende tilnærmingen gir kirurger mulighet til å utforske optimal posisjonering og simulere ulike prosedyrescenarier. Registrering av disse scenariene kan gi innsikt i plasseringen av kirurgisk utstyr i den virkelige verden, for eksempel posisjonering av C-armen.
I tillegg til posisjoneringsvinkler er det også mulig å måle anatomi i et virtuelt miljø ved hjelp av måleverktøy designet for 3D-rom. Disse målingene kan gi innsikt i riktig størrelse og form på enheten som skal brukes i et intrakranielt aneurisme tilfelle9.
Denne protokollen presenterer en omfattende prosess som sømløst kombinerer medisinsk bildebehandling, bildesegmentering, VR-modellforberedelse og generering av virtuelt kirurgisk veikart for å forbedre den kirurgiske planleggingsprosessen. Ved hjelp av en kombinasjon av ledende teknologier gir denne protokollen muligheter til å spare verdifull tid i operasjonssalen10, samt et løft for kirurgens tillit og forståelse av komplekse kirurgiske tilfeller 11,12,13.
3D-modellering ble introdusert til medisinske arbeidsflyter med bruk av 3D-utskriftsteknologier 2,3,4,6,7,9,11, men VR gir nye applikasjoner av 3D-teknologi utover et fysisk 3D-objekt. Innsats for å gjenskape anatomi og scenarier i en virtuell verden gir mulighet for personlig medisinsk praksis på individuelle pasienter 1,2,3,4,9,11,13,16. Dette arbeidet demonstrerer den ekspansive evnen til å skape nye pre-kirurgiske simuleringer i en digital verden med minimal innsats.
Gjennom hele den presenterte protokollen er det flere trinn som er kritiske for suksessen til en sak. Den viktigste faktoren for å produsere tilstrekkelige resultater med riktig oppløsning er å skaffe riktig medisinsk bildebehandling. Den presenterte prosessen krever ikke ytterligere skanninger på pasienten, ved hjelp av standard CTA-skanning som er planlagt for hvert intrakranielt aneurysmtilfelle. De fleste skannere vil lagre skanninger i kort tid, avhengig av skannermodellen og helsesystemprotokollen, slik at bildeteknikeren kan laste opp de anskaffede tynne skivene av skanningene, vanligvis mindre enn 1 mm tykke skiver, lagres ofte ikke lenger enn noen få dager på grunn av lagringsstørrelsen. Disse tynne skivene gir mulighet for større detalj og inkludering av mindre anatomi, for eksempel blodkar. Etter at segmenteringen har funnet sted, må legens kvalitetskontroll fullføres for å sikre at 3D-modellene som genereres, representerer pasientens anatomi så nøyaktig som mulig i fremtidige trinn. Kvalitetskontroll av alle modeller bør være en del av segmenteringsprosessen, og minimere potensialet for spredning av feil gjennom resten av protokollen. Kvalitetskontroll inkluderer blodkargrenser og segmentering av aneurismen separat fra de omkringliggende karene, på samme måte som den ville presentere seg med kontrast. Kvalitetskontroll med lege er av største betydning da legen har hele ansvaret for modellenes nøyaktighet, spesielt hvis modellene skal brukes i videre beslutningstaking av pasientens behandling. I noen tilfeller kan det være mulig eller praktisk for legen å fullføre segmenteringstrinnet selv.
Det neste viktige trinnet i protokollen er å opprettholde romlig modelljustering mens du integrerer gradskivemålingsverktøyet. Blender har vist seg å være et ekstremt nyttig verktøy for dette trinnet, da det gir mulighet for kombinasjon av flere STL-filtyper i en kombinert fil med flere lag, som hver er romlig justert og kan farges eller tekstureres for ekstra klarhet. I tillegg, i løpet av dette trinnet, legges gradskiven STL til slik at vinkeldata kan samles inn i VR. Denne gradskivemodellen ble spesielt utviklet ved hjelp av et dataassistert konstruksjonsverktøy (CAD), SolidWorks. Ved hjelp av dimensjoneringsverktøy med høy presisjon i programvaren ble det laget en bue med ticsmerker som angir hvert 5° i alle tre aksene. Gradskiven har også trådkors som angir det sanne sentrum av den modellen og muliggjør justering til sentrum av pasientens anatomi. Det er også en stor stolpe i modellen som betyr (0,0) og skal justeres med pasientens nese. Det er også viktig å merke seg at dette ble gjort manuelt og kunne ha økt feilprosenten. Justering er av største betydning for å sikre nøyaktigheten av alle potensielle vinkelmålinger. Når modellen er riktig justert, er den klar for VR, der opptak av legens plassering av modellen muliggjør fremtidig bestemmelse av vinklene der modellen er plassert. Under opptaket registreres alt i det virtuelle rommet i referanse til hverandre, viktigst av alt legens synspunkt (POV) og modellenes bevegelser og rotasjoner. Ved å dra full nytte av dette opptaket og pausefunksjonen, plasseres en rett kant fra legens POV gjennom gradskivemodellens trådkors, og målinger kan observeres på en måte som er bemerkelsesverdig lik bruken av en faktisk gradskive.
Denne metoden har noen begrensninger. En slik begrensning er at det ikke nødvendigvis er en enkelt riktig orientering for aneurismen når man ser den i fluoroskopi. Dette førte til flere valideringsforsøk ganske enkelt på grunn av de forskjellige synsvinklene. Denne begrensningen kan sees på som en mulig fordel fra det perspektivet at med ytterligere kjennskap som kommer fra å manipulere 3D-modellen, er det mulig at legen vil finne en optimal visning i forhold til dagens metode for å bestemme vinkler i operasjonssuiten. En annen potensiell begrensning av denne protokollen er at det er mulig å bestemme en synsvinkel i VR som faktisk ikke ville være mulig for C-armene å komme til. Denne begrensningen ville bli tatt hensyn til og kjent av legen i VR, slik at spesifikasjoner kunne gjøres hvis dette ble en del av kirurgisk planlegging. En annen begrensning, som viser viktigheten av kvalitetskontrolltrinnet, er at i noen tilfeller er fartøy som er distale for aneurismen, i virkeligheten ikke sett så fremtredende i fluoroskopiprosedyrer som de ville være hvis de ble inkludert i modellen i VR. Dette kan tvinge legen til å være oppmerksom på et fartøy som ikke nødvendigvis ville være i veien under prosedyren i VR, noe som fører til at en suboptimal synsvinkel genereres i VR. I segmentering er det mulig å segmentere ut flertallet av blodkarene og interesseområdet; Intervensjonalisten kunne velge å veksle mellom modeller av fartøy for å sikre at det ikke ville være flere fartøy i synsvinkelen, bruken av kontrakt minimerer også denne risikoen.
Utviklingen av en 3D-modellgradskive og en protokoll som kan gi vinkelmålinger i flere akser innen VR har enorm betydning og lover et bredt spekter av potensielle applikasjoner. Fordelene kan vise seg å være mangefasetterte, potensielt forbedre ulike bransjer fra arkitektur og engineering til produksjon og militære applikasjoner. Imidlertid, som vist i denne protokollen, skinner dens sanne potensial innen helsevesenet, direkte innenfor de kirurgiske planleggingsdelene av pasientbehandlingen. Kirurger kan bruke dette verktøyet til å nøye vurdere og planlegge alle typer prosedyrer ved å kunne visualisere og måle vinkler direkte i VR. Denne teknikken ligner på arbeid gjort for hjertekateterisering19. En direkte fordel ved å kjenne bestemte vinkler før prosedyren er den betydelige reduksjonen i behovet for en full 360-graders spinn under fluoroskopi, en vanlig brukt bildebehandlingsteknikk under aneurysmreparasjon. Ved å bestemme vinklene som kreves for å etterligne det virtuelle kirurgiske veikartet, kan kirurgene plassere utstyret mer nøyaktig, og dermed minimere strålingseksponeringen for pasienten. Dette bidrar ikke bare til pasientsikkerheten ved å minimere risikoen forbundet med strålingseksponering, men strømlinjeformer også den kirurgiske prosedyren. Med redusert tid brukt på fluoroskopijusteringer, kan kirurgiske team operere mer effektivt, noe som til slutt fører til kortere prosedyretider.
Nylige fremskritt innen 3D-modellering og virtuell virkelighetsteknologi gjør det mulig for medisinsk personale å unngå improvisasjonstenkning under operasjoner ved å få en dyp forståelse av pasientens indre anatomi før operasjon i alle unntatt de mest presserende tilfellene 1,2,3,4,6,9,11,13,16 . Hvis tiden tillater det, bør medisinsk personale utnytte bruken av medisinsk bildesegmentering og VR-diagnostikk for å fremme forståelsen av saken før de plasserer pasienten på operasjonsbordet. Dette vil til slutt føre til en bedre forståelse av hver enkelt pasient, samt redusert operasjonstid og tid under anestesi.
The authors have nothing to disclose.
Vi retter en spesiell takk til vurderingskomiteen for deres innsiktsfulle tilbakemeldinger, og til redaksjonen for deres uvurderlige kommentarer, ekspertise, veiledning og støtte gjennom hele skriveprosessen til denne artikkelen. Vi setter stor pris på samarbeidsmiljøet som ble fremmet av misjonspartnerne i OSF HealthCare System, som forbedret kvaliteten på dette arbeidet. Takk til OSF HealthCare System for å gi ressurser og støtte og til Advanced Imaging and Modeling Lab på Jump Simulation and Education Center for deres hjelp.
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 |