血管内治疗的进步已经用微创选择取代了复杂的开放外科手术,如瓣膜置换术和动脉瘤修复术。本文建议使用三维 (3D) 建模和虚拟现实来帮助 C 臂定位、角度测量和路线图生成,用于神经介入导管插入术实验室的程序规划,从而最大限度地减少手术时间。
复杂血管异常的血管内治疗将开放性外科手术的风险转移到微创血管内手术解决方案的益处上。复杂的开放外科手术曾经是治疗肺动脉瓣和主动脉瓣置换术以及脑动脉瘤修复等无数疾病的唯一选择。然而,由于导管输送装置和操作者专业知识的进步,这些手术(以及许多其他手术)现在可以通过通过中央或外周静脉或动脉输送的微创手术来执行。从开放手术转向血管内入路的决定基于多模态成像,通常包括 3D 数字成像和医学通信 (DICOM) 成像数据集。利用这些 3D 图像,我们的实验室生成病理解剖结构的 3D 模型,从而可以进行必要的术前分析,以预先计划导管插入术实验室程序的关键组成部分,即 C 臂定位、3D 测量和理想化路线图生成。本文介绍了如何获取患者特定病理学的分段 3D 模型并预测广义 C 臂位置,如何测量与 2D 透视投影相关的 3D 结构的关键二维 (2D) 测量,以及如何生成 2D 透视路线图类似物,以帮助在导管插入术实验室程序中正确定位 C 臂。
颅内动脉瘤的治疗是神经介入手术的一个具有挑战性的方面,需要精确的手术计划以确保最佳的患者预后。近年来,虚拟现实 (VR) 技术已成为一种很有前途的工具,通过让外科医生在虚拟 3D 环境中访问身临其境的、特定于患者的解剖模型 1,2,3,4,5,6,7,8 .本文介绍了使用医学成像和分割、3D 建模、VR 手术计划和理想化虚拟路线图生成的综合方案,以帮助制定动脉瘤治疗的手术计划。
这些步骤的结合最终形成了一种虚拟手术计划方法,使医生能够沉浸在虚拟环境中,并在手术前全面了解患者的独特解剖结构。这种身临其境的方法使外科医生能够探索最佳定位并模拟各种手术场景。记录这些场景可以深入了解真实世界手术设备的放置,例如 C 臂定位。
除了定位角度外,还可以使用专为 3D 空间设计的测量工具在虚拟环境中测量解剖结构。这些测量可以深入了解用于颅内动脉瘤病例的设备的正确尺寸和形状 9.
该协议提供了一个全面的过程,无缝结合了医学成像、图像分割、VR 模型准备和虚拟手术路线图生成,以增强手术计划过程。该协议使用尖端技术的组合,提供了节省手术室10宝贵时间的机会,并增强了外科医生对复杂手术病例的信心和理解11,12,13。
随着 3D 打印技术2、3、4、6、7、9、11 的出现,3D 建模被引入医疗工作流程,但 VR 提供了 3D 技术在物理 3D 对象之外的新应用。在虚拟世界中复制解剖学和场景的努力允许对个体患者进行个性化的医疗实践 1,2,3,4,9,11,13,16。这项工作展示了在数字世界中以最小的努力创建新的术前模拟的广泛能力。
在整个提出的协议中,有几个步骤对案件的成功至关重要。以适当的分辨率产生足够的结果的最重要因素是获得正确的医学成像。所呈现的过程不需要对患者进行额外的扫描,使用为每个颅内动脉瘤病例安排的标准 CTA 扫描。大多数扫描仪会将扫描内容存储很短的时间,具体取决于扫描仪型号和卫生系统协议,允许成像技术人员上传采集的扫描薄片,通常小于 1 毫米厚的薄片由于存储大小,通常不会存储超过几天。这些薄片允许更多的细节和更小的解剖结构,如血管。分割完成后,必须完成医生质量控制,以确保生成的 3D 模型在未来的步骤中尽可能准确地代表患者的解剖结构。所有模型的质量控制应成为分割过程的一部分,以尽量减少在协议的其余部分传播错误的可能性。质量控制包括血管边界和将动脉瘤与周围血管分开分割,类似于造影剂的表现方式。医生的质量控制至关重要,因为医生对模型的准确性负有全部责任,特别是当模型要用于患者治疗的进一步决策时。在某些情况下,医生自己完成分割步骤可能是可行或实用的。
该协议的下一个重要步骤是在集成量角器测量工具的同时保持空间模型对齐。事实证明,Blender 是完成此步骤的一个非常有用的工具,因为它允许将多种 STL 文件类型组合成一个具有多个图层的组合文件,每个图层在空间上都是对齐的,并且可以着色或纹理以增加清晰度。此外,在此步骤中,将添加量角器 STL,以便在 VR 中收集角度数据。此量角器模型是使用计算机辅助设计 (CAD) 工具 SolidWorks 专门开发的。利用软件中的高精度尺寸标注工具,创建了一个带有抽动标记的弧线,表示所有三个轴中每 5° 一次。量角器还具有十字准线,表示该模型的真正中心,并允许与患者解剖结构的中心对齐。模型中还有一个大条表示 (0,0),并且要与患者的鼻子对齐。此外,需要注意的是,这是手动完成的,可能会增加错误百分比。对准对于确保所有潜在角度测量的准确性至关重要。正确对齐后,模型就可以用于 VR,其中记录模型的医生位置允许将来确定模型的放置角度。在录制过程中,虚拟空间中的所有内容都会相互参考,最重要的是医生的视角 (POV) 以及模特的运动和旋转。充分利用此记录和暂停功能,从医生的 POV 通过量角器模型的十字准线放置一条直边,并且可以以与使用实际量角器非常相似的方式观察测量值。
这种方法确实有一些局限性。其中一个局限性是,在透视中观察动脉瘤时,不一定有一个正确的方向。这仅仅是由于视角不同而导致的多次验证尝试。从以下角度来看,这种限制可以被视为一种可能的好处,即与当前在手术室中确定角度的方法相比,通过操作 3D 模型而获得额外的熟悉,医生可能会找到最佳视图。该协议的另一个潜在局限性是,可以在VR中确定C臂实际上无法达到的视角。在VR中,医生将考虑并了解这一限制,因此如果这成为手术计划的一部分,则可以制定规范。另一个证明质量控制步骤重要性的局限性是,在某些情况下,动脉瘤远端的血管实际上在透视程序中并不像在VR模型中那样突出。这可能会迫使医生注意在VR手术过程中不一定会妨碍的血管,从而导致在VR中产生次优视角。在分割中,可以分割出大部分血管和感兴趣区域;干预者可以选择在船舶模型之间切换,以确保在其视角内不会有额外的船只,使用合同也可以将这种风险降至最低。
开发 3D 模型量角器和可以在 VR 中提供多轴角度测量的协议具有极其重要的意义,并有望实现广泛的潜在应用。这些好处可能被证明是多方面的,可能会增强从建筑和工程到制造和军事应用的各个行业。然而,如该协议所示,它的真正潜力在医疗保健领域大放异彩,直接在患者护理的手术计划部分。外科医生可以利用此工具直接在 VR 中可视化和测量角度,从而仔细评估和计划所有类型的手术。该技术类似于心导管插入术19 所做的工作。术前了解特定角度的一个直接好处是,在透视过程中显着减少了对 360 度全旋转的需求,这是动脉瘤修复过程中常用的成像技术。通过确定模拟虚拟手术路线图所需的角度,外科医生可以更准确地定位设备,从而最大限度地减少对患者的辐射暴露。这不仅有助于通过最大限度地降低与辐射暴露相关的风险来确保患者安全,而且还简化了外科手术。由于减少了用于透视调整的时间,手术团队可以更高效地运作,最终缩短手术时间。
3D建模和虚拟现实技术的最新进展使医务人员能够在手术前深入了解患者的内部解剖结构,从而避免在手术过程中即兴思考,除了最紧急的情况外,其他所有病例1,2,3,4,6,9,11,13,16 .如果时间允许,医务人员应利用医学图像分割和VR诊断技术,在将患者放在手术台上之前进一步了解病例。这最终将导致更好地了解每个独特的患者,并减少手术时间和麻醉时间。
The authors have nothing to disclose.
我们特别感谢审查委员会提供的有见地的反馈,并感谢编辑在本文的整个写作过程中提供的宝贵意见、专业知识、指导和支持。我们非常感谢OSF HealthCare System的任务合作伙伴营造的协作环境,这提高了这项工作的质量。感谢 OSF HealthCare System 提供的资源和支持,以及 Jump Simulation and Education Center 的高级成像和建模实验室的帮助。
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 |