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方法論記事

3Dスキャンとマッピングを使用した腫瘍断端のコミュニケーションの強化

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DOI:

10.3791/66253

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2023年12月15日

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1Department of Otolaryngology - Head and Neck Surgery, Vanderbilt University Medical Center, 2Department of Pathology, Vanderbilt University Medical Center, 3Vanderbilt University School of Engineering

この記事について

サマリー

がん切除の3Dスキャンと仮想マッピングのための新しい方法が提案されており、集学的がん治療チーム間のコミュニケーションを改善することを目的としています。

要約

悪性腫瘍の腫瘍学的切除後、標本は病理学に送られ、外科的断端の状態を決定するための処理が行われます。これらの結果は、書面による病理報告書の形で伝達されます。現在の標準治療の病理学レポートは、切除された組織の視覚的表現なしで、標本と辺縁サンプリングの部位の書面による説明を提供します。試料自体は、通常、切片作成および分析中に破壊されます。これにより、最終的な病理レポートが確認されたときに、病理医と外科医の間のコミュニケーションが困難になることがよくあります。さらに、外科医と病理医は、切除されたがん標本を視覚化する集学的がん治療チームの唯一のメンバーです。私たちは、この満たされていないニーズに対応するために、3Dスキャンと標本マッピングのプロトコルを開発しました。コンピューター支援設計(CAD)ソフトウェアを使用して、インクとマージンサンプリングのサイトを明確に示す仮想試料に注釈を付けます。このマップは、集学的がん治療チームのさまざまなメンバーが利用できます。

概要

腫瘍学的切除の目標は、顕微鏡的に腫瘍細胞が除去された外科的切除断端でがんを完全に切除することです。頭頸部がんにおいて、手術断端の状態は最も重要な病理学的危険因子である1。切除断端が陽性の場合、5年局所再発および全死因死亡のリスクが>90%増加します2。近年の医療技術や外科的手技の進歩にもかかわらず、頭頸部がんの切除断端陽性率は依然として高いままです3。局所進行口腔がんの場合、米国内の陽性マージン率は18.1%です4。

頭頸部外科医が周囲の構造の破壊を最小限に抑えながら腫瘍学的完全切除を確実にするために、凍結切片分析(FSA)による切除断端の術中サンプリングが行われます。FSAは、広く使用されており、標準治療である迅速な術中病理学相談を提供します5,6,7,8,9。新鮮な組織を凍結し、薄くスライスし、スライドガラスの上に置き、患者が麻酔をかけている間にすぐに解釈できるように染色します。

頭頸部腫瘍標本は、頭頸部癌標本の解剖学的複雑さ、目、顔、重要な神経や血管系などの重要な構造に近接していることを考慮して、広い切除のための頭頸部領域の最小限の予備力、切除された標本にしばしば存在する複数の組織タイプ(すなわち、 粘膜、軟骨、筋肉、骨)10,11。したがって、マージン分析への検体ベースのアプローチには、外科医と病理医の間の高度なレベルのコミュニケーションが必要です12。多くの場合、標本の正しい向きとマージンに関する議論を確実にするために、対面での会話が保証されます。しかし、これは、患者が全身麻酔下にある間に外科医が手術室(OR)を離れるか、病理医が肉眼病理検査室を離れてワークフローを中断する必要があるため、常に安全または実現可能であるとは限りません。さらに、手術室と病理検査室の間にかなりの移動時間がある場合や、場合によっては病理検査室が完全にオフサイトにある場合があります。

FSAに続いて、腫瘍学的検体をホルマリンで固定し、インク、切片化、およびマージンサンプリングによって正式に処理します。スライドを作成し、病理医が顕微鏡で解釈して、最終的な病理レポートを作成します。頭頸部がんの複雑な切除術では、1〜2週間かかることが多いです。残念なことに、検体の処理は、通常、切除された癌検体の破壊につながります。これは、最終的な病理学報告、集学的腫瘍委員会の議論、補助放射線療法計画、および切除断端陽性の設定での再切除のすべてが、腫瘍学的標本とその病理学的処理の視覚的記録なしに進行しなければならないため、さらなる混乱を招く可能性がある。

この臨床的アンメットニーズに対応するために、私たちは3Dスキャンと検体マッピングのプロトコルを開発し、外科医、病理医、および集学的がん治療チームの他のメンバー間のコミュニケーションを強化しました。

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プロトコル

このプロトコルは、ヴァンダービルト大学医療センターで IRB#221597 の下で実施されました。患者は、手術前に手術標本の ex vivo 3Dスキャンとデジタルマッピング、および3D標本モデルのバイオレポジトリにスキャンを追加することについて、書面による同意を提供しました。選択基準は、外科的切除を受けている頭頸部腫瘍が疑われる、または生検で証明された18歳以上の患者でした。3D標本マップは、外科医と病理医の好みとスタッフの空き状況に基づいて作成されました。

このプロトコルは、ヴァンダービルト大学医療センターの治験審査委員会(IRB#221597)のヒト研究倫理委員会のガイドラインに従います。すべての被験者は、参加前に書面によるインフォームドコンセントを提供しました。すべての患者データは匿名化されています。

1. 3Dスキャナーのセットアップ

  1. スキャナーのセットアップに使用できる 3 x 2 フィートのフラット ワークステーションを特定します。ワークステーションがスキャナーが密閉されている暗い環境であるか、部屋の照明がオフになっていることを確認してください。または、 図1に示すように、モバイルカートのセットアップ内で3Dスキャンを実行します。
  2. 平らなワークステーションに3本脚のカメラ三脚を設置します。3Dスキャンカメラを三脚に慎重に配置します。カメラをワークステーションに向かって60°の角度で下向きにします。
  3. 2部構成の電源コードを外部電源とカメラの背面に接続します。
  4. スキャナーターンテーブルを1Dカメラと三脚のセットアップの3フィート前に置きます。マイクロUSBケーブルを使用してターンテーブルをカメラに接続します。
  5. カメラとUSBケーブルを使用して、カメラとラップトップコンピューターを接続します。ラベル付きのセットアップについては、 図 2 を参照してください。
    メモ: ラップトップコンピュータにUSBポートがない場合は、外付けUSBアダプタが必要になることがあります。外付けマウスをお勧めします。
  6. ワークステーションの照明をオフにして、スキャナーを現在の照明条件に合わせて調整します。
  7. カメラの背面にある 電源 ボタンを、青色のライトが点灯するまで押し続けます。
  8. コンピューターのデスクトップで3Dキャプチャソフトウェアを開きます。カメラによって投影された十字のターンテーブルを中央に配置します。
    注意: ソフトウェアを開く前に、カメラの電源がオンになっていて、ライトが消灯していることを確認してください。

2. 試料の取り扱い

  1. 外科チームから切除された腫瘍学的標本を入手します。
  2. 検体をすすぎ、切除による血液や余分な血栓を取り除きます。軽くたたいて乾かします。
    注:この手順は、高品質のスキャンを取得するために非常に重要です。3Dスキャナーは、標本が非常に光沢があったり、表面に血液が残っていたりすると、データを取得するのが困難です。
  3. 試験片を平らで清潔な面に置きます。
  4. スマートフォンのカメラやデジタルカメラを使用して、試料の高画質な2D画像を取得します。標本の前面の写真を1枚取得します。試験片を正確に180°裏返し、試験片の後面の2枚目の写真を取得します。

固形腫瘍の 一括 切除後の3. 3Dスキャン

  1. 3Dスキャナーのターンテーブルに薄いプラスチックシートを置き、ターゲットポイントを人体組織から保護します。試験片をプラスチックシートの上に置き、前面を上に向けて置きます。
  2. ラップトップのデスクトップにある3Dスキャナーソフトウェアアプリケーションをクリックします。
  3. 画面右側の3Dスキャナーアイコンをクリックします。「 新規作業 」ボタンをクリックします。
  4. わかりやすい命名規則を使用して、新しいフォルダーを作成します。
    注: 命名規則の推奨事項: YYYY-MM-DD_SPECIMENTYPE
  5. [ Texture Scan] をクリックします。 開いているグローバルマーカーファイル セクションは空白のままにします。
  6. 画面左側のメニューで、固定設定をすべて調整します(図3)。HDRオフを選択します。[ターンテーブルあり]の[オン]オプションを選択します。位置合わせモード = ターンテーブル コード化ターゲット、ターンテーブル ステップ = 8、ターンテーブル速度 = 10、ターンテーブル ターン = 1 ターンを設定します。
  7. 図3に示すように、輝度スライダーバーを右にスライドさせて輝度を調整し、試料の暗い表面の露出(赤み)を最大にします。
    注:標本の明るい色の部分(骨、歯)を過度に露出(赤すぎる)せずに、標本の暗い色の部分(筋肉、軟部組織)の露出(赤み)を最大化するようにしてください。
  8. 右側のツールバーの[スキャンの開始]というラベルの付いた三角形の再生ボタンをクリックするか、スペースバーを押して、最初のスキャンラウンドを開始します。プラットフォームが8回転すべて完了するのを待ちます(~4分)。このステップ中は、スキャナーやターンテーブルに触れないでください。
  9. 完了したら、スキャンを回転させて、画面に表示されている緑色の点の外側にキャプチャされたスキャンデータや明らかなアーティファクトがないかどうかを確認します。満足したら、編集画面の右側にあるチェックマークをクリックして、スキャンの次の半分に進みます。
    1. アーティファクトが検出された場合は、Shift キーを押しながらカーソルを使用して、目的のスキャンの外側にあるアーティファクトを囲む円をドラッグします。不要なアーティファクトの周囲に表示される赤い円を探します。ごみ箱アイコンで指定されている右側のツールバーの[データの削除]ボタンをクリックします。
  10. 手袋を使用して、試験片を裏返して反対側の表面を露出させます。必要に応じて明るさを調整し、その他の設定はすべて同じに保ちます。手順3.8〜3.9を繰り返します。

4. アライメントとメッシュ作成

  1. プログラムは、試験片を自動的に位置合わせしようとします。アライメントが正確(まれ)な場合は、手順4.4に進みます。位置合わせが悪い場合(注を参照)は、手順4.2に進みます。
    注:正確なアライメントは、側面にギャップや重なりのない完全に形成された試験片によって特徴付けられます。黄色の部分はスキャンの内側を表し、最適な位置合わせは可能な限り少ない黄色を示します。
  2. 手動で位置合わせするには、右側のツールバーのパズルのピースで示される位置合わせボタンを押します。
  3. 3点交差レジストレーションを実行して、2つの3Dスキャンを幾何学的に位置合わせします。
    1. スキャンデータの1セット(グループ1とグループ2)をクリックして、各アライメントフレームにドラッグします。グループ 1 を 「固定」(Fixed ) ボックスに、「グループ 2」(Group 2) を 「フロート」(Floated ) ボックスに配置します。
    2. 右クリック機能を使用して、片側が試料の外側(3Dスキャンされた表面)を示し、もう半分が試料の内側(黄色)を示すように、2つの半分を回転させて配置します。シルエットを重ね合わせた場合に同じ形状になるように、2つの半分を方向付けます。マウスの中央スクロールボタンを使用して、試験片をズームインおよびズームアウトします。
    3. スキャンデータの各セットで3つの明確なランドマークを特定し、両方のデータセットに存在するアライメントポイントとして選択します。
      注:試験片のエッジで互いにほぼ等距離にある3つのポイントを選択します。スキャンの固有のトポグラフィーを使用して、これらのポイントを選択します。
    4. Shift キーを押しながら左クリックし、上記のように、各データ グループ上の対応する 3 つの位置合わせポイントの 1 つ目を選択します。対応する2つのポイントをクリックして選択した後、選択した対応する位置に表示される赤い点を探します。このプロセスを2回繰り返し、選択した位置合わせポイントの2番目のセットに緑色の点が表示され、3番目のセットにオレンジ色の点が表示されることを確認します。
    5. 2 つの半分の下の大きいペインに位置合わせの結果が表示されることを確認します。スキャンが適切に位置合わせされている場合(最適な位置合わせの推奨事項については、セクション4.1の「注」を参照)、手順4.4に進みます。アライメント処理を繰り返すには、手順4.3.6に進みます。
    6. 配置ポイントを再選択するには、 Ctrlキー+ Z キーを押して以前の作業を元に戻すか、各ペインの右上隅にある [X ]ボックスをクリックして手順4.3.1に戻ります。
    7. アライメント結果のプレビューが正確になるまで、これらの手順を実行します。
  4. 右下のツールバーにある四角い [グローバル最適化 ] ボタンを選択します。最適化画面を進み、プロンプトが表示されるたびに[ 確認 ]ボタンをクリックします。
  5. 最適化が完了したら、画面右下の三角形の メッシュモデル ボタンを選択します。
  6. プロンプトが表示されたら、 ウォータータイトモデル オプションを選択します。[ Medium Detail] のオプションをクリックします。
    注: 高ディテールはレンダリングに時間がかかり、中ディテールよりも視覚的に優れているわけではありません。
  7. 画面の左側に表示されるスライダーバーを使用して、プロンプトが表示されたら 明るさ を 50 に、 コントラスト を 0 に調整します。
  8. 右下のツールバーにある[ スキャンを保存 ]ボタンをクリックします。 スケーリング比 を 100% に保ち、試験片の元の寸法をすべて維持します。
  9. モデルを 3MF および OBJ ファイル形式にエクスポートし、スキャンの開始時に作成したフォルダー内にファイルを保存します。手順 2.3 で概説した命名規則を使用します。

5. クリーンアップ

  1. 手袋を使用して、試験片をターンテーブルから取り外します。検体を病理学チームに安全に返却します。
  2. ビニールシートをはがし、ワイプで消毒します。バッグに戻してください。
  3. スキャナー、ターンテーブル、カメラをボックス内のそれぞれのスロットに戻します。カメラがビニール袋または箱で保護されていることを確認してください。
  4. すべてのコードを抜き、箱に入れます。
  5. 消毒用ワイプでスキャン領域を清掃します。

6. バーチャル3D試料マッピング

  1. 検体を処理する準備ができたら、検体をグロスする病理学チームメンバーと一緒に作業するようにワークステーションを設定します。
    注:移動を可能にし、病理学チームとのコミュニケーションを容易にするために、ローリングコンピュータースタンドを利用すると便利です。
  2. ワークステーションにラップトップコンピュータと外付けマウスをセットアップします。ノートパソコンのデスクトップからコンピュータ支援設計ソフトウェアを開き、3Dモデルに仮想的に注釈を付けます。
  3. プラス記号のアイコンで示される[インポート]ボタンをクリックし、手順4.9で以前に保存したRAWスキャンの3mfファイルをインポートします。
    注意: このソフトウェアには消去機能はありません。ユーザーは Ctrl Z を押すことによってのみ、以前の作業を元に戻すことができます。マップを保存すると、ユーザーは戻って標本のマーキングを変更または消去できないことに注意してください。
  4. 仮想手描き入力
    1. サイズ設定15〜30でペイントブラシツールを選択して、各インク領域の境界線の輪郭を描きます。カラー パレットを使用して、実際のインク カラーと同時にソフトウェア ペイント カラーを使用して、インクが塗布された各サーフェスをグラフィカルに表現します。
    2. サイズ設定35〜45でペイントブラシツールを使用して、インクを塗った各セクションを対応する色で塗りつぶします。
    3. インクを塗ったすべての面が正しいことをプロセクタで確認し、キーのインクを塗った各面の解剖学的方向(前部、後部、内側、外側、深部)をメモします。
  5. マージンサンプリング
    1. サイズ設定20〜25でペイントブラシツールを使用して、色分けを使用して区別された垂直および剃毛(面)の余白を図表化します。
      注: たとえば、垂直な余白を示すには白を使用し、髭剃りの余白を示すには fuschia を使用します。
    2. サンプリングした各セクションに、各セクションが配置されているカセットに対応する番号または文字のラベルを付けます。
  6. 平面カット
    1. 平面カット(つまり、パンパンが試験片を完全にカットする)の場合は、左側のツールバーから 平面カットツール を選択します。左上のツールバーで [ 両方を保持 ] を選択します。
    2. プロセクタが実行されたとおりに試験片を切断する平面を描画します。カットが正しいことを確認してから、[ 承認]をクリックします。
  7. 3D試験片マップの完成とエクスポート
    1. 完成した3D試験片マップの精度を確認するために、プロセクタに確認してください。不一致を修正し、マップを完成させます。
      注:完成した試験片マップの例を 図4に示します。
    2. 上部のツールバーで、[ ファイル] |[保存] をクリックすると、試験片マップが保存されます。[ ファイル] |エクスポート | 選ぶ。3mf は、ファイルを .3mf ファイルとしてエクスポートします。

7.配信可能なビデオの作成

  1. ラップトップのデスクトップからプレゼンテーションソフトウェアを開きます。
  2. スライドファイルに、マッピングされた標本の対応する名前を付けます。
  3. 試料を撮影した2D画像を挿入し、スライドの片側に配置します。
  4. 上部のツールバーから [挿入 ] を選択します。 ゴム製のアヒルのアイコン をクリックし、[ 3Dモデルの挿入]を選択します。
  5. ステップ4.9で生成した生スキャンの.3mfファイルと、ステップ6.7.2で生成したマッピングされた標本の.3mfファイルをインポートします。
  6. 3DモデルをRAWスキャンとマッピングスキャンで並べて配置します。2 つのモデルが同じ方向/位置合わせで、同じサイズになるように配置します。
  7. 上部ツールバーの [アニメーション] をクリックします。 | モデル #1 を選択 | アニメーションを追加 |ターンテーブル |持続時間を10秒に変更 |[クリック時] を選択します。
  8. モデル #2 を選択し、マッピングされたスキャンに対して手順 6.8 を繰り返しますが、最後の手順で [クリック時] ではなく [前を使用] を選択します。
  9. モデル #1 を選択し、手順 6.8 を繰り返しますが、[効果オプション]を選択し、ターンテーブルの方向を[上]に変更して、[前の後]を選択します。
  10. モデル #2 を選択し、手順 7.9 を繰り返しますが、最後の手順で [前を使用] を選択します。
  11. [アニメーション ウィンドウ] を選択し、[すべて再生] をクリックして、スキャンが同じ方向に同時に回転していることを確認します。
  12. 共有可能な動画を作成するには、[ ファイル] |エクスポート |動画を作成 |[ 中サイズのファイル ] を選択すると、.mp4ビデオがエクスポートされ、電子メールで共有されたり、プレゼンテーションに統合されたりします。
    メモ: 最終的なビデオの例を 図5に示します。

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結果

2021 年 10 月から 2023 年 4 月にかけて、28 個の頭頸部腫瘍標本が 3D スキャンされ、このプロトコルに従って仮想的にマッピングされました。これらの結果は、以前に13発表されました。手術標本の大部分は扁平上皮がん(SCC)(86%、n = 24)であり、最も一般的な解剖学的サブサイトは口腔(54%、n = 15)および喉頭(29%、n = 8)であった。

すべての場合において、標本マップは、病理学スライドの評価と最終的な病理学レポートの配布の前に、主治医および病理学者と共有されました。症例の29%(n = 8)で、3D標本マップを使用して、外科医と病理医の間の懸念の範囲を伝えました。ビデオテレビ会議による集学的ケアコミュニケーションを改善するための3D検体マップの使用を 図6に示します。

最終的なマージンの状況は、各ケースについて記録され、4つのカテゴリーのいずれかに分類される傾向がありました。(1)断...

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ディスカッション

従来、切除されたがん標本を視覚的に表現するものはありません。病理学的処理はしばしば標本を破壊する。以前の研究では、腫瘍学的標本の3Dスキャンの実現可能性と有用性が実証されており、その後、モデルの仮想注釈を作成して、病理学的処理を代表する3D標本マップを作成します13,14,15。これにより、集学的ケアチームは、がん検体の解剖学的構造、検体の切片化、およびマージンサンプリング位置の視覚的モデルを提供します。

プロトコルの最も重要なステップは、高品質の3Dスキャンを取得し、スキャンを適切に位置合わせして3D解剖学的標本を複製し、病理学的処理を反映した正確な3D標本マップを作成することです。高品質の試験片マップを確保するために、特定の修正が必要になる場合があります。まず、照明は非常に重要です。高品質の3Dスキャンに最適な照明は、薄暗い部屋です。スキャンの品質が高くない場合は、照明をさらに暗くするか、暗い...

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開示事項

著者は、開示すべき競合する金銭的利害関係を有していません。

謝辞

この研究は、Vanderbilt Clinical Oncology Research Career Development Program(K12 NCI 2K12CA090625-22A1)、NIH/National Institute for Deafness and Communication Disorders(R25 DC020728)、Vanderbilt-Ingram Cancer Center Support Grant(P30CA068485)、およびSwim Across Americaの支援を受けた。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
コンピュータ支援設計ソフトウェアMeshMixer3Dモデル用の仮想注釈ソフトウェア
デジタルカメラまたはカメラ電話iPhoneiPhoneカメラまたは利用可能な任意のデジタルカメラを使用できます 
EinScan SP V2 Platinumデスクトップ3DスキャナーShining3D3Dスキャナーハードウェア
ExScanソフトウェア。Solid Edge SHINING 3D EditionShining 3D3Dキャプチャソフトウェア(3Dスキャナー
、外付けマウスMicrosoft)
ラップトップコンピュータDell XP500355-60734-40310-AAOEMラップトップ要件:
USB:1 ×USB 2.0または3.0;OS:Win 7、8、または10(64ビット);
グラフィックカード:Nvidiaシリーズ;グラフィックメモリ:>1 G;
CPU:デュアルコアi5以上。メモリ:>8 G
Microsoft OfficeスイートMicrosoft
モバイルプレゼンテーションカートオクラホマサウンドPRC450
PowerPointソフトウェアMicrosoft Officeプレゼンテーションソフトウェア
昇降モバイルデスクカートセビリアクラシックス
USB-cデバイスコンバータTRIPP-LITEU442-DOCK3-Bが必要ラップトップにUSBがない場合のみ
、の購入に付属しています。

参考文献

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