血管内治疗技术的进步已用微创治疗方式取代了复杂的开放性外科手术,例如瓣膜置换和动脉瘤修复。本文提出利用三维(3D)建模和虚拟现实技术,辅助神经介入导管室手术规划中的C形臂定位、角度测量和路径图生成,以缩短手术时间。
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血管内治疗技术的进步已用微创治疗方式取代了复杂的开放性外科手术,例如瓣膜置换和动脉瘤修复。本文提出利用三维(3D)建模和虚拟现实技术,辅助神经介入导管室手术规划中的C形臂定位、角度测量和路径图生成,以缩短手术时间。
复杂血管畸形的血管内治疗将开放手术的风险转变为微创血管内介入治疗的优势。过去,复杂的开放手术曾是治疗多种疾病(如肺动脉瓣和主动脉瓣置换以及脑动脉瘤修复)的唯一选择。然而,随着导管输送器械的发展以及操作者技术的进步,这些手术(以及许多其他手术)现在可以通过经中心或外周静脉或动脉的微创介入方式完成。从开放手术转向血管内介入治疗的决策依赖于多模态影像,通常包括三维医学数字成像和通信(DICOM)影像数据集。利用这些三维图像,我们的实验室可生成病理解剖结构的三维模型,从而实现导管室手术前关键步骤的预规划分析,包括C臂位置的确定、三维测量以及理想化路图的生成。本文介绍了如何利用基于患者特异性病理分割出的三维模型来预测通用的C臂位置,如何测量与二维透视投影相关的三维结构的关键二维(2D)参数,以及如何生成二维透视路图类似物,以辅助导管室手术中C臂的准确定位。
颅内动脉瘤的治疗是神经介入手术中具有挑战性的方面,需要精确的手术规划以确保最佳的患者预后。近年来,虚拟现实(VR)技术已成为增强手术规划的有前景工具,可使外科医生在虚拟三维环境中访问沉浸式、个体化患者的解剖模型1,2,3,4,5,6,7,8。本文介绍了一套完整的操作流程,涵盖医学影像与分割、三维建模、虚拟现实手术规划以及理想化虚拟路径图生成,以辅助动脉瘤治疗的手术规划。
上述步骤的结合最终形成了一种虚拟手术规划方法,使医生能够在手术前沉浸于虚拟环境中,全面了解患者独特的解剖结构。这种沉浸式方法使外科医生能够探索最佳体位并模拟各种手术场景。记录这些场景可为现实手术设备的摆放提供参考,例如C形臂的位置设置。
除了定位角度外,还可以在虚拟环境中使用专为三维空间设计的测量工具来测量解剖结构。这些测量结果可为颅内动脉瘤病例中所需器械的正确尺寸和形状提供参考依据9。
本方案介绍了一个综合性的流程 ,该流程无缝整合了医学影像、图像分割、虚拟现实模型制备以及虚拟手术路径生成,以增强手术规划过程。通过结合前沿技术,本方案有助于缩短手术室内的宝贵时间10,同时提升外科医生对复杂手术病例的信心和理解能力11,12,13。
根据机构关于患者诊疗的指南、1996年健康保险可携性和责任法案(HIPAA)以及在适当时与机构审查委员会(IRB)的合作,使用去标识化的人类DICOM文件或用于患者诊疗的DICOM文件。
1. 分割患者特异性 解剖结构
2. 为虚拟现实准备模型
3. 在虚拟现实中培训医疗专业人员
注意:以下说明专为配合 Enduvo 数字教室软件使用而编写。尽管可能可以使用其他 3D 查看软件,但该软件具备移动模型、放置摄像机以及记录医生体位等功能,使其成为此操作的理想选择。不同的 VR 头显、控制器和软件组合可能具有不同的操作方式。
4. 在虚拟现实中生成透视路图
根据本方案,可为前后位(AP)和侧位透视视图生成虚拟手术路径图。这些路径图通过在虚拟现实(VR)中将摄像机置于外科医生的视角位置,捕捉其理想的前后位和侧位视图,同时在目标解剖结构后方设置彩色背景,以更好地模拟透视图像。此时使用VR量角器记录外科医生观察目标解剖结构的角度,该角度记录为右前斜位或左前斜位(RAO/LAO——摄像机分别偏移至患者右侧或左侧),以及头前斜位或足前斜位(CRA/CAA——摄像机分别偏移至患者头部或足部方向)15。在开发该流程时,采用了回顾性病例,以便将VR中测量的角度与手术中C型臂设备实际使用角度进行比较。为此流程选取了三个不同的回顾性病例,每个病例均使用了不同的外科器械进行治疗。这三个病例的多样性体现了本方案的广泛适用性。要求外科医生在不参考术中C型臂实际角度的情况下,自行确定其偏好的前后位和侧位角度,随后将VR测量结果与既有的C型臂位置进行对比。
在病例1中,声明的首选前后位(AP)观察角度在虚拟现实(VR)中测量为16°头侧倾斜角(CRA)、12°右前斜位(RAO)。该病例手术中实际使用角度为11° CRA和13° RAO。这些测量值之间的最大误差为头尾轴方向5°。图2A显示了外科医生在虚拟现实中声明的AP视图,随后图2B显示了在虚拟现实中观察到的手术实际使用角度,图2C显示了术中透视成像结果。比较这三幅图像可见,相同角度下虚拟现实图像与实际透视图像极为相似。
由于三维模型未得到充分审查,同一病例的侧位视图展示了该流程中的诸多挑战之一。由于审查存在缺陷,部分无关血管被错误地分割出来,据外科医生所述,这些血管在虚拟现实(VR)中遮挡了动脉瘤的视野,且与目标解剖结构无关联,因此在VR中未能准确呈现。这些差异源于在与医生进行质量控制会话时,对所需目标解剖结构的沟通不充分。这些差异可见于图2D-F,从左至右依次显示了外科医生指定的侧位视图、基于术中透视角度生成的VR图像,以及实际的透视影像。除无关血管外,尽管冠状面和轴状面的测量角度分别偏差6°和26°,外科医生指定的正位(AP)视图仍与实际透视图像高度相似。如图2E所示,在VR中复现实际测量角度所获得的视图,与图2F右侧所示的真实透视图像也十分接近,主要差异仍为异常的额外血管。本病例采用了可靠性较低的手动放置量角器工具,这可能是导致测量存在轻微偏差的原因。后续病例将使用与解剖结构绑定的量角器,以确保在VR中获取的角度测量值达到最大精确度。
在病例2和病例3中,虚拟现实(VR)中选定的最佳视角并不能代表实际手术过程中所使用的视角。这是由于VR中模型的初始放置是在盲法研究条件下进行的。需要强调的是,外科医生指出,透视引导手术可能存在多个可接受的治疗角度,并不一定存在唯一正确的角度。为了便于比较,VR中的图像均根据报告的手术角度进行采集。图3展示了VR中的前后位(AP)视图(图3A)与手术中的前后位视图(图3B)。在图3中,还可对病例2的侧位视图进行类似比较,即图3C、D。对于病例3,图4展示了前后位的对比(图4A、B),以及侧位的对比(图4C、D)。这些病例中VR图像与透视图像之间的相似性进一步证明了VR在手术规划中的应用能力。
本方案的一个重要优势是通过在虚拟现实(VR)环境中利用三维模型来改善手术规划。此前一项关于VR在复杂肿瘤病例手术规划中有效性的研究表明,约50%使用VR的病例相较于仅依赖二维数据集制定的手术方案,改变了原有的手术策略9。VR在肝肿瘤切除术的手术规划过程中也被证实具有应用价值16,17,同样适用于涉及头颈部病变的手术操作18。参与本方案制定的外科医生表示:“在VR中,我能清晰得多地观察[解剖结构],这体现了VR在血管内神经外科应用中的优势。”

图1:分割软件界面截图。 该截图显示了基于掩膜(Masks)高亮显示的解剖结构。请点击此处查看此图的放大版本。

图2:病例1。(A) 术者在虚拟现实(VR)中定位的病例1正位视图。(B) 基于术中角度测量结果生成的病例1在虚拟现实(VR)中的正位视图。(C) 术中采集的病例1正位透视图像。(D) 术者在虚拟现实(VR)中定位的病例1侧位视图。(E) 基于术中角度测量结果生成的病例1在虚拟现实(VR)中的侧位视图。(F) 术中采集的病例1侧位透视图像。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:病例2。 (A) 基于术中角度测量数据生成的病例2 VR前后位视图。(B) 术中采集的病例2前后位透视图像。(C) 基于术中角度测量数据生成的病例2 VR侧位视图。(D) 术中采集的病例2侧位透视图像。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:病例3。 (A) 基于术中角度测量值生成的病例3在虚拟现实(VR)中的前后位视图。(B) 术中采集的病例3前后位透视图像。(C) 基于术中角度测量值生成的病例3在虚拟现实(VR)中的侧位视图。(D) 术中采集的病例3侧位透视图像。请点击此处查看该图的高清版本。
补充文件 1: 已开发并使用了量角器的 3D 模型,该模型以 STL 文件格式提供。 请点击此处下载此文件。
随着3D打印技术的出现,三维建模已被引入医学工作流程中2,3,4,6,7,9,11,但虚拟现实(VR)使三维技术的应用超越了实体三维对象,拓展出全新的用途。将解剖结构和临床场景在虚拟世界中进行复制的努力,使得针对个体患者的个性化医疗实践成为可能1,2,3,4,9,11,13,16。本研究展示了在数字世界中以极小成本创建新型术前模拟的广阔能力。
在整个所述方案中,有多个步骤对病例的成功至关重要。获得正确的医学影像,是获得适当结果并保证足够分辨率的最重要因素。本方案无需对患者进行额外扫描,而是使用为每一例颅内动脉瘤病例所安排的标准CTA扫描。大多数扫描仪会根据扫描仪型号和医疗机构的协议,将扫描数据存储一段时间,通常扫描获得的薄层切片(厚度通常小于1毫米)不会被长期保存,往往仅保留数天,原因在于存储空间的限制。这些薄层切片能够提供更高的细节分辨率,并包含更微小的解剖结构,例如血管。在完成分割后,必须由医师进行质量控制,以确保后续步骤中生成的3D模型尽可能准确地反映患者的解剖结构。所有模型的质量控制应作为分割流程的一部分,以最大限度减少误差在方案后续步骤中的传播。质量控制包括检查血管边界,并将动脉瘤与周围血管分开进行分割,其方式应类似于使用造影剂后所呈现的影像表现。由医师进行质量控制至关重要,因为医师对模型的准确性负有全部责任,尤其是当这些模型将用于患者治疗方案的进一步决策时。在某些情况下,由医师亲自完成分割步骤可能是可行或更实际的选择。
该实验方案的下一个重要步骤是在整合量角器测量工具的同时保持空间模型的对齐。Blender 在此步骤中被证明是一种极为有用的工具,因为它能够将多种 STL 文件类型合并为一个包含多个图层的综合文件,每个图层在空间上均对齐,并可进行着色或纹理处理以增强清晰度。此外,在此步骤中会添加量角器的 STL 模型,以便在虚拟现实(VR)环境中采集角度数据。该量角器模型是使用计算机辅助设计(CAD)软件 SolidWorks 专门开发的。利用该软件中的高精度尺寸标注工具,在三个轴向上均创建了每 5° 标记一个刻度的弧线。量角器模型还包含十字准线,用于标示模型的精确中心,从而实现与患者解剖结构中心的对齐。模型中还设有一条粗长的基准杆,代表 (0,0) 位置,应与患者的鼻部对齐。需要注意的是,该对齐过程为手动完成,可能增加误差百分比。对齐的准确性至关重要,以确保所有潜在角度测量结果的精确性。一旦模型正确对齐,即可用于虚拟现实环境,在其中记录医生对模型的放置位置,以便后续确定模型所处的角度。在记录过程中,虚拟空间中的所有元素均相互关联地被记录下来,其中最重要的是医生的视角(POV)以及模型的移动和旋转。充分利用该记录功能及暂停功能,可通过医生的视角向量角器模型的十字准线引一条直线,从而以与使用真实量角器极为相似的方式读取测量值。
该方法学确实存在一些局限性。其中一个局限性在于,使用透视成像观察动脉瘤时,并不一定存在唯一正确的方位。这导致了由于观察角度不同而需要进行多次验证尝试。但从另一个角度来看,这一局限性也可能成为潜在优势:随着操作者通过操控三维模型积累更多经验,或许能够比当前在手术室内确定角度的方法找到更优的观察视角。该方案的另一个潜在局限性是,有可能在虚拟现实(VR)中确定出C型臂实际无法达到的观察角度。这一局限性在虚拟现实中可被操作医师识别并加以考虑,以便在将该技术纳入手术规划时做出相应调整。另一个凸显质量控制步骤重要性的局限性在于,在某些情况下,现实中位于动脉瘤远端的血管在透视成像中的显影程度,不如其在虚拟现实模型中那样明显。这可能导致医师在虚拟现实中过度关注某条血管,而该血管在实际操作中本不会构成阻碍,从而导致在虚拟现实中生成了次优的观察角度。在分割过程中,可以对大部分血管及感兴趣区域进行分割;介入医师可选择在不同血管模型之间切换查看,以确保观察角度内不存在额外的血管,而使用造影剂也可进一步降低此类风险。
开发一种三维模型量角器及可在虚拟现实(VR)中提供多轴角度测量的方案具有重要意义,并有望带来广泛的应用前景。其优势可能是多方面的,有望增强建筑、工程、制造和军事等多个行业。然而,正如本方案所示,该技术的真正潜力体现在医疗保健领域,尤其是在患者诊疗的手术规划环节。外科医生可利用此工具在虚拟现实中直接可视化并测量角度,从而细致评估和规划各类手术操作。该技术类似于已报道的用于心脏导管插入术的研究19。术前明确特定角度的直接优势之一,是显著减少在透视成像过程中进行完整360度旋转的需求,而透视成像在动脉瘤修复手术中是一种常用影像技术。通过确定模拟虚拟手术路径所需的角度,外科医生能够更精确地定位设备,从而降低患者所受的辐射暴露。这不仅通过减少辐射暴露相关风险而提升患者安全性,同时也优化了手术流程。由于减少了在透视调整上所花费的时间,手术团队能够更高效地操作,最终缩短手术时长。
在大多数非紧急情况下,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进行临时判断1,2,3,4,6,9,11,13,16。如果时间允许,医务人员应在将患者送入手术室之前,充分利用医学图像分割和虚拟现实诊断技术,以进一步加深对该病例的理解。这最终将有助于更全面地了解每位患者的个体情况,同时缩短手术时间和麻醉时间。
Matthew Bramlet 是 Enduvo 公司的联合创始人。其余作者声明,他们对本文所述研究不存在任何相关或重大的经济利益。
我们特别感谢评审委员会提出的富有见地的反馈意见,以及编辑部在整个文章撰写过程中给予的宝贵建议、专业知识、指导与支持。我们非常感谢OSF医疗系统任务合作伙伴所营造的协作环境,这提升了本研究工作的质量。感谢OSF医疗系统提供的资源与支持,以及Jump模拟与教育中心先进影像与建模实验室所提供的协助。
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|---|---|---|---|
| 3D Slicer | N/A | 开源分割软件 | |
| Blender | N/A | 开源的计算机辅助设计(CAD)软件,可导入并编辑通过分割生成的有机模型 | |
| Enduvo | Enduvo | N/A | 专有的虚拟现实(VR)查看器,专为教育设计,也是我们首选的VR查看器 |
| McKesson PACS Change Healthcare Radiology Solution | McKesson | N/A | 任何图像归档与通信系统(PACS)均可满足需求,McKesson 仅为我们选用的PACS软件解决方案 |
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| Quest | Oculus | N/A | 虚拟现实头戴式显示器 |
| Steam VR | Steam | N/A | 用于连接计算机与头显的软件 |
| 支持虚拟现实的计算机 | 最低配置要求请参见 Steam VR 的系统需求。 | ||
| VR-STL-Viewer | GitHub | N/A | 一款开源的虚拟现实查看器,能够导入并查看 .stl 文件 ,可以使用,但我们无法保证本文中提及的所有功能均可实现 |
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