Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Avidentifiserte humane DICOMer eller DICOMer for pasientbehandling brukes i samsvar med institusjonelle retningslinjer for pasientbehandling, Health Insurance Portability and Accountability Act of 1996 (HIPAA) og samarbeid med Institutional Review Board (IRB) når det er hensiktsmessig.
1. Segment patient-spesifikk anatomi
- Anskaffelse av medisinske skanninger
- Begynn segmenteringsprosessen med en lege eller kirurg som bestiller medisinske skanninger. Disse skanningene er en del av standard pasientbehandlingsprotokoll og introduserer ikke ekstra prosedyrer.
- Hvis legen vet at de vil be om segmentering, må du sørge for at de ber om tynne skiver datasett som skal eksporteres fra MR- eller CT-skanneren. I de fleste tilfeller er disse tynne skivene mindre enn 1 mm tykke; Denne oppløsningen kan imidlertid variere mellom skannere. Ta CTA-skanninger med kontrast for å sikre riktig segmentering av vaskulatur og blodbassenger.
- For datainnsamling, skaff MR 3D-sekvens med følgende foreslåtte parametere: kjør i aksial, sørg for skivetykkelse og mellomrom mellom skiver på 0,625 mm eller mindre, null avstand. Skaff deg CT 3D-serien med følgende foreslåtte parametere: skiveskanner i spiralformet modus, skivetykkelse og mellomrom mellom skiver på 0,625 mm, for eksempel Neuro: Kvp på 120, Smart mA-område på 100-740, rotasjonshastighet på .5ms eller hjerte: Kvp på 70, Smart mA-område på 201-227 (smart MA-modus 226), rotasjonshastighet ved 0,28 ms14. Følg institusjonens spiralformede parametere for hver kroppsdel.
MERK: 3D-sekvensen skal anskaffes slik at det i rekonstruksjonen er en nær isotrop oppløsning i aksiale, koronale og sagittale plan. I de fleste tilfeller bør de tynneste skivene kjøpes. 3D-sekvensen kjøres i tillegg til institusjonens standardprotokoll for avbildning. Imidlertid kjøres det samtidig, så det er minimalt med ekstra arbeid, strålingseksponering og utgifter for det kliniske teamet og pasienten.
- For datainnsamling, skaff MR 3D-sekvens med følgende foreslåtte parametere: kjør i aksial, sørg for skivetykkelse og mellomrom mellom skiver på 0,625 mm eller mindre, null avstand. Skaff deg CT 3D-serien med følgende foreslåtte parametere: skiveskanner i spiralformet modus, skivetykkelse og mellomrom mellom skiver på 0,625 mm, for eksempel Neuro: Kvp på 120, Smart mA-område på 100-740, rotasjonshastighet på .5ms eller hjerte: Kvp på 70, Smart mA-område på 201-227 (smart MA-modus 226), rotasjonshastighet ved 0,28 ms14. Følg institusjonens spiralformede parametere for hver kroppsdel.
- Be legen om å be om segmentering av modellen, og spesifiser hvilken anatomi som vil være det sentrale fokuset for segmenteringsprosessen (En lege eller kirurg fullfører vanligvis dette trinnet).
- Last ned skannedata og lagre dem lokalt.
- Hvis mer enn én skanning ble tatt, må du sørge for at DICOM-datasettene fra skanningen sammenlignes for å bestemme hvilket skannesett som har den tynneste stykkeinnstillingen og best kontrast, da dette vil gi 3D-modellene med høyest oppløsning når de er segmentert.
- Når det beste bildesettet er bestemt, laster du det ned fra bildedatabasen for segmentering, anonymiserer eller lar dataene være som de er med beskyttet helseinformasjon (PHI). Denne protokollen vil fungere med et anonymisert DICOM.
- Importer DICOM-datasettet til segmenteringsprogramvaren.
MERK: Følgende instruksjonssett bruker vilkår som er spesifikke for segmenteringsprogramvaren Materialise Mimics. Mens Materialise Suite er abonnementsbasert programvare, er det åpen kildekode-alternativer som 3DSlicer. Verktøynavn og terminologi kan variere mellom andre segmenteringsverktøy. - Lag en grov maske av målanatomien, for eksempel bein, blodbasseng, aneurisme, etc.
- Under SEGMENT-fanen velger du Nytt maskeverktøy .
- Sett øvre og nedre terskelgrenser ved å klikke og dra begge for å fange så mye av den relevante målanatomien som mulig, samtidig som du begrenser fangsten av omkringliggende vev. Klikk og dra grensene innenfor terskelverktøyet eller skriv inn ønsket Hounsfield Unit (HU).
- Mens du setter terskler, beskjær til et bestemt område av skanningen for å unngå overflødig utvalg av omkringliggende vev. De øvre og nedre terskelgrensene varierer sterkt avhengig av skanningstype, sekvenstype, kontrastmengde og pasient.
- Klikk OK for å fullføre den grove masken.
- Bruk andre verktøy i kategorien SEGMENT til å fjerne unødvendige deler av masken eller legge til manglende vev etter behov.
- Bruk Region Grow-verktøyet til å skille alle voxels av masken som er direkte koblet til en voxel valgt av brukeren. bruke Rediger maske til å legge til eller fjerne voxels i masken via både 2D- og 3D-vinduene; bruke Multiple Slices Edit for å legge til eller fjerne voxels gjennom interpolering mellom stykker lenger fra hverandre; og bruk Fyllhull eller Smart Fill til å fylle hull av en brukerdefinert størrelse i masken.
- Fortsett å finjustere masken ved å bruke verktøy i fanen til 2D til 3D-interpoleringen er så nøyaktig som mulig.
- Gjenta trinn 1.5 og 1.6 for alle målanatomier.
- Rådfør deg med en lege angående den fullførte segmenteringen for å sikre nøyaktighet.
- Vis de ferdige maskene til en lege for å sikre at viktig anatomi ikke er utelatt og overflødig anatomi ikke er inkludert. I de fleste tilfeller, kontakt legen som ber om segmentering for kvalitetskontroll. Legen sørger for at den delen av DICOM som er uthevet av masken på hvert stykke, er så nøyaktig som mulig (se figur 1).
- Eksportsegmentering for videre behandling.
- Konverter ferdige masker til deler ved hjelp av verktøyet Beregn del på Prosjektstyring-menyen på høyre side.
- Eksporter beregnede deler til 3D-filer ved å høyreklikke på delen og velge Eksporter STL.
2. Forbered modellen for virtuell virkelighet
- Opprett et nytt Blender-prosjekt og fjern standard sceneelementer. Trykk på a-tasten for å markere alle synlige elementer, og deretter x etterfulgt av Enter for å fjerne dem fra scenen.
MERK: Blender er en gratis modelleringsprogramvare med åpen kildekode. Mens annen modelleringsprogramvare kan være i stand til å utføre de samme oppgavene, vil terminologien som brukes i dette trinnet være spesifikk for Blender. - Importer anatomifilene via Fil > Importer > Stl (.stl).
- Juster pasientens anatomi med verdens opprinnelse.
- Velg all pasientanatomi for å opprettholde relativ posisjonering. For å gjøre dette, trykk på a-tasten etter at alle filene er importert.
- Bruk verktøyene Flytt og Roter til å justere anatomien etter verdens opprinnelse. Sørg for at pasientens nese er på linje med en akse, med den vinkelrette aksen som kontakter henholdsvis øreområdet og toppen av skallen. Bruk ortografiske visninger, som kan aktiveres med widgeten øverst til høyre i blendergrensesnittet.
- Importer VR-gradskiven og juster den til pasientens anatomi. Denne gradskiven er spesialdesignet av OSFs ingeniørteam for å hjelpe til med å skaffe C-armvinkler i VR, basert på vinkler i 3D-rom.
- Importer vinkelmålerens .stl-fil fra tilleggsfil 1.
- Juster (0,0) på gradskiven, representert ved det lengste målemerket, med pasientens nese. Orienter gapet i gradskivearmene mot pasientens føtter.
- Skaler gradskiven tilsvarende. I de fleste tilfeller skalerer gradskiven ganske liten for å sikre enkel måling etter skalering i VR. I tilfelle av aneurismer, prøv å skalere gradskiven på en måte som ligger like utenfor aneurysmområdet.
- Juster anatomiens opprinnelse til verdens opprinnelse.
- Høyreklikk klikk i hovedvisningsområdet og velg Fest > markør til verdens opprinnelse. Dette sikrer at 3D-markøren er justert med den globale opprinnelsen.
- Velg alle synlige modeller med a-tasten .
- Høyreklikk, klikk i visningsporten og velg Sett opprinnelse > opprinnelse til 3D-markør. Dette justerer 3D-opprinnelsen til alle modeller til samme punkt, slik at de vil stille opp og skalere riktig når de importeres til VR.
- Legg til tekstur eller farge på modellene etter ønske for bedre skille i VR.
- Dette er et valgfritt trinn. Velg de enkelte .stl-filene, og klikk deretter på kategorien Materialegenskaper på høyre side av skjermen. Under denne fanen kan basisfargen justeres til ønsket farge. Gjenta dette trinnet for hvert objekt for å legge til farge.
- Eksporter den ferdige modellen som en enkelt. glb/.gltf-fil. Kontroller at ingen av alternativene Begrens til i kategorien Inkluder i eksportvinduet er valgt.
MERK: Den. glb / .gltf filformat gjenspeiler filtypen som kreves for bruk i VR-programvaren, samt for opplasting til NIH 3D-biblioteket. Andre eksporttyper kan være nødvendig for annen programvare.
3. Trening av medisinsk fagpersonell i virtuell virkelighet
MERK: Følgende instruksjoner er skrevet for å brukes med Enduvo digitale klasseromsprogramvare. Selv om det kan være mulig å bruke annen 3D-visningsprogramvare, er muligheten til å flytte modeller, plassere kameraer og registrere legeposisjonering noen funksjoner som gjør denne programvaren ideell for denne prosedyren. Ulike VR-hodesett, kontrollere og programvarekombinasjoner kan ha forskjellige kontroller.
- Opprett en ny leksjon.
- Importer gltf-filen som ble eksportert i trinn 2.7, på menyen for leksjonsoppretting. Programvaren kan produsere en melding som: Filtypen (GLB) som du prøver å laste opp, støttes for øyeblikket ikke fullt ut. Ignorer denne meldingen og klikk på Bekreft-knappen .
- Åpne leksjonen i VR for å fullføre.
- Bruk gjennomsiktighetsmenyen du får tilgang til ved å trykke ned på styrespaken eller joysticken på en kontroller, og skjul alle modeller unntatt målanatomien. Aneurismen bør være den eneste modellen som er synlig.
- Plasser kirurgen eller legen i VR og gi dem litt tid til å gjøre seg kjent med 3D-rommet og funksjonene og anatomien i leksjonen.
- Når kirurgen er komfortabel med anatomien, begynner du å registrere.
- Start opptaksfunksjonen ved hjelp av enten den virtuelle knappen i VR-rommet eller opptaksknappen på den sekundære skjermen.
- La kirurgen rotere målanatomien for å finne foretrukne synsvinkler for både anteroposterior (AP) og lateral fluoroskopivisning. Etter å ha funnet en foretrukket vinkel, be kirurgen om å stoppe kort og si at de har funnet en foretrukket vinkel og om gjeldende synsvinkel er AP eller lateral.
- Etter at alle foretrukne vinkler er funnet, stopp opptaket med enten VR-knappen eller ekstern skjerm.
4. Generering av fluoroskopi veikart i VR
- Oppnå fluoroskopianaloger ved hjelp av registrert kirurgplassering.
- Plasser et bilde som etterligner den grå kulørbakgrunnen i et fluoroskopibilde bak modellen i det virtuelle rommet. Bruk valgknappen på kontrolleren, ofte utløseren på baksiden av kontrolleren, til å manipulere bildet etter behov. Dette skaper en konsistent bakgrunnsfarge som gjør det lettere å se anatomien og er mer representativ for fluoroskopi.
- Plasser kameraet i tråd med kirurgens synsvinkel på det tidspunktet som er erklært som en foretrukket synsvinkel, og sørg for at kameraet peker omtrent mot midten av målanatomien. Kirurgen vil fremstå som et sett med flytende briller og to kontrollere i VR.
- Ta et 2D-øyeblikksbilde med kameraet i ønsket posisjon. Gjenta trinnet for hver foretrukne vinkel.
- Skaff deg C-armvinkler ved hjelp av kirurgens bevegelser og gradskive.
- Sett den innspilte leksjonen på pause når kirurgen erklærer en foretrukket synsvinkel.
- Klikk på styreflaten for å åpne hurtigmenyen, og merk av for På/Av for å vise vinkelmåleren som er festet til modellen.
- Bruk gripeknappen på kontrolleren til å velge og manipulere en peker eller rettkant i tråd med kirurgens synsvinkel, og gå også gjennom opprinnelsen til gradskiven.
- Gå tilbake fra modellen og se vinklene fra de ortografiske synspunktene som samsvarer med C-armbevegelsene.
- For et nevrologisk tilfelle med pasientens nese orientert mot 0° på alle C-armakser, ta AP-vinklene fra sagittal- og aksialplanet. Ta sidevinklene fra koronale og aksiale plan. I begge tilfeller tilsvarer aksialplanet høyre og venstre vinkel på C-armen, mens sagittal- og koronalplanet korresponderer med kraniale og kaudale vinkler.
- Gjenta trinnene ovenfor for hver foretrukne vinkel.
Representative Results
Etter den presenterte protokollen kan virtuelle kirurgiske veikart genereres for både AP- og lateral fluoroskopivisning. Disse veikartene er opprettet ved å plassere et kamera på kirurgens synspunkt i VR for å fange deres ideelle AP- og sidevisninger, samtidig som de plasserer en farget bakgrunn bak målanatomien for bedre å gjenskape et fluoroskopibilde. VR-gradskiven brukes på dette punktet til å registrere vinkelen som kirurgen ser på målanatomien, registrert som høyre eller venstre fremre skrå (RAO/LAO - kameraforskjøvet til henholdsvis høyre eller venstre) og kranial eller kaudal anterior (CRA/CAA - kameraforskjøvet mot henholdsvis pasientens hode eller føtter)15. Ved utviklingen av denne prosessen ble retrospektive tilfeller brukt for å gi muligheten til å sammenligne vinkler målt i VR med de faktiske vinklene som ble brukt på C-armmaskinene i kirurgi. Tre forskjellige retrospektive tilfeller ble valgt for denne prosessen, hvert tilfelle har blitt behandlet med et annet kirurgisk utstyr. Mangfoldet i disse tre sakene viser allsidigheten til den presenterte protokollen. Kirurgen ble bedt om å finne foretrukne AP- og sidevinkler uten å referere til C-armvinklene som ble brukt under prosedyren, og VR-målingene ble deretter sammenlignet med disse eksisterende C-armposisjonene.
I tilfelle 1 ble den deklarerte foretrukne AP-visningsvinkelen målt i VR som 16° CRA, 12° RAO. De faktiske målingene som ble brukt i kirurgi for dette tilfellet var 11 ° CRA og 13 ° RAO. Maksimal feil blant disse målingene er 5° på kranial/kaudal akse. Figur 2A viser kirurgens erklærte AP-visning i virtuell virkelighet, etterfulgt av figur 2B, som viser den faktiske vinkelen som brukes i kirurgi som sett i VR, og figur 2C, som viser det kirurgiske fluoroskopibildet. Sammenligning av de tre bildene viser at VR-bildene er ekstraordinært lik det faktiske fluoroskopibildet i samme vinkel.
Sidesynet av samme sak viste en av de mange utfordringene i denne prosessen på grunn av at 3D-modellen ikke ble tilstrekkelig gjennomgått. På grunn av denne feilaktige gjennomgangen var det noen fremmede fartøy segmentert som ifølge kirurgen hemmet deres syn på aneurismen i VR og ikke er koblet til målanatomien, og som sådan reflekteres ikke nøyaktig i VR. Disse avvikene var et resultat av feilkommunikasjon i den nødvendige målanatomien under kvalitetskontrolløkten med legen. Disse avvikene kan sees i figur 2D-F, som viser kirurgens deklarerte laterale, VR-representasjonen basert på kirurgiske fluoroskopivinkler og de faktiske fluoroskopibildene fra henholdsvis venstre mot høyre. Med unntak av fremmede kar ligner kirurgens deklarerte AP-bilde det faktiske fluoroskopibildet, til tross for at målingene som er tatt er 6° og 26° av i henholdsvis koronal- og aksialplan. Replikasjonen av faktiske målinger i VR, som vist i figur 2E, viser også et lignende syn på den virkelige fluoroskopien vist til høyre i figur 2F, med hovedavviket som de uregelmessige ekstra fartøyene. Denne saken benyttet en mindre pålitelig manuell plassering av gradskiveverktøyet, noe som kan forklare den lille forskjellen i måling. Fremtidige tilfeller bruker en gradskive som er bundet til anatomien for å sikre maksimal nøyaktighet av vinkelmålinger tatt i VR.
I sak 2 og 3 var synspunktene som ble valgt for å være optimale i VR ikke representative for synspunktene som ble brukt i selve prosedyren. Dette var en konsekvens av at den første plasseringen av modeller i VR var en blindet studie. Det er viktig å merke seg at kirurgen uttrykte at fluoroskopiprosedyrer kan ha flere akseptable behandlingsvinkler, og det er ikke nødvendigvis en riktig vinkel. Til sammenligning ble det tatt bilder i VR fra de rapporterte kirurgiske vinklene. Figur 3 viser VR AP-visningen i figur 3A og den kirurgiske AP-visningen i figur 3B. I figur 3 kan en tilsvarende sammenligning gjøres mellom sidesyn i figur 3C,D for tilfelle 2. For tilfelle 3 viser figur 4 AP-sammenligningen figur 4A,B, samt sidesammenligningen figur 4C,D. Likhetene mellom VR- og fluoroskopibildene av disse tilfellene viser videre VRs evne til å bli brukt i kirurgisk planlegging.
En viktig fordel med denne protokollen er forbedringen av kirurgisk planlegging ved å utnytte 3D-modeller i et VR-miljø. En tidligere studie om effektiviteten av VR i kirurgisk planlegging for komplekse onkologiske tilfeller viste at omtrent 50% av tilfellene som benyttet bruk av VR, endret den kirurgiske tilnærmingen fra planen som ble laget med bare 2D-datasett9. VR har også vist seg nyttig i den kirurgiske planleggingsprosessen for levertumorreseksjon16,17, samt prosedyrer som involverer hode- og nakkepatologi18. Kirurgen som deltok i etableringen av denne protokollen uttalte at: i VR kan jeg se [anatomien] så mye bedre, og viser fordelene med VR for endovaskulære nevrokirurgiske applikasjoner.
Figur 1: Skjermbilde fra segmenteringsprogramvaren. Skjermbildet viser den uthevede anatomien basert på masker. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Sak 1. (A) Anteroposterior visning av sak 1 som plassert av operasjonskirurgen i VR. (B) Anteroposterior visning av tilfelle 1 i VR basert på vinkelmålinger tatt under operasjonen. (C) Anteroposterior fluoroskopi visning fanget under operasjonen. (D) Lateral visning av sak 1 som plassert av operasjonskirurgen i VR. (E) Lateral visning av tilfelle 1 i VR basert på vinkelmålinger tatt under operasjonen. (F) Lateral fluoroskopi visning fanget under operasjonen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Case 2. (A) Anteroposterior visning av Case 2 i VR basert på vinkelmålinger tatt under operasjonen. (B) Anteroposterior fluoroskopi visning av tilfelle 2 fanget under operasjonen. (C) Lateral visning av tilfelle 2 i VR basert på vinkelmålinger tatt under operasjonen. (D) Lateral fluoroskopi visning av tilfelle 2 fanget under operasjonen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Tilfelle 3. (A) Anteroposterior visning av Case 3 i VR basert på vinkelmålinger tatt under operasjonen. (B) Anteroposterior fluoroskopi visning av tilfelle 3 fanget under operasjonen. (C) Lateral visning av tilfelle 3 i VR basert på vinkelmålinger tatt under operasjonen. (D) Lateral fluoroskopi visning av tilfelle 3 fanget under operasjonen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Tilleggsfil 1: En 3D-modell av gradskiver ble utviklet og brukt til protokollen i STL-filformat. Klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
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.
Disclosures
Matthew Bramlet er medstifter av Enduvo, Inc. De resterende forfatterne erklærer at de ikke har noen relevante eller vesentlige økonomiske interesser som er knyttet til forskningen beskrevet i denne artikkelen.
Acknowledgments
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.
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).
