이미징 및 가상 현실을 사용한 정밀 수술을 위한 선구적인 환자별 접근 방식

두개내 동맥류의 치료는 신경 중재 수술의 어려운 측면으로, 최적의 환자 결과를 보장하기 위해 정확한 수술 계획이 필요합니다. 최근 몇 년 동안 가상 현실(VR) 기술은 외과의가 가상 3D 환경에서 몰입형 환자별 해부학 모델에 액세스할 수 있도록 함으로써 수술 계획을 향상시키는 유망한 도구가 되었습니다 1,2,3,4,5,6,7,8 . 이 기사에서는 동맥류 치료를 위한 수술 계획을 지원하기 위해 의료 영상 및 세분화, 3D 모델링, VR 수술 계획 및 이상적인 가상 로드맵 생성을 사용하기 위한 포괄적인 프로토콜을 제시합니다.

이러한 단계의 조합은 가상 수술 계획 접근 방식으로 절정에 달하여 의사가 가상 환경에 몰입하고 수술 전에 환자의 고유한 해부학적 구조를 포괄적으로 이해할 수 있도록 합니다. 이 몰입형 접근 방식을 통해 외과의는 최적의 위치 지정을 탐색하고 다양한 절차 시나리오를 시뮬레이션할 수 있습니다. 이러한 시나리오를 기록하면 C-arm 포지셔닝과 같은 실제 수술 장비의 배치에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

각도를 지정하는 것 외에도 3D 공간용으로 설계된 측정 도구를 사용하여 가상 환경에서 해부학적 구조를 측정할 수도 있습니다. 이러한 측정은 두개내 동맥류 증례⁹에 사용될 장치의 올바른 크기 및 모양에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.

이 프로토콜은 의료 영상, 이미지 분할, VR 모델 준비 및 가상 수술 로드맵 생성을 원활하게 결합하여 수술 계획 프로세스를 향상시키는 포괄적인 프로세스를 제공합니다. 첨단 기술의 조합을 사용하는 이 프로토콜은 수술실⁽¹⁰)에서 귀중한 시간을 절약할 수 있는 기회를 제공할 뿐만 아니라 복잡한 수술 사례에 대한 외과의의 자신감과 이해를 높인다(11,12,13).

환자 치료를 위한 비식별화된 인간 DICOM 또는 DICOM은 환자 치료에 대한 기관 지침, HIPAA(Health Insurance Portability and Accountability Act of 1996) 및 적절한 경우 IRB(Institutional Review Board)와의 협력에 따라 사용됩니다.

1. Segment patient-specific 해부학

1. 의료 스캔 취득
   1. 의사 또는 외과 의사가 의료 스캔을 주문하는 것으로 세분화 프로세스를 시작합니다. 이러한 스캔은 표준 환자 치료 프로토콜의 일부이며 추가 절차를 도입하지 않습니다.
   2. 의사가 분할을 요청할 것을 알고 있는 경우 MRI 또는 CT 스캐너에서 얇게 슬라이스된 데이터 세트를 내보내도록 요청해야 합니다. 대부분의 경우 이러한 얇은 조각의 두께는 1mm 미만입니다. 그러나 이 해상도는 스캐너마다 다를 수 있습니다. 혈관 구조와 혈액 웅덩이의 적절한 분할을 보장하기 위해 조영제로 CTA 스캔을 수행합니다.
      1. 데이터 수집을 위해 다음과 같은 제안된 파라미터를 사용하여 MRI 3D 시퀀스를 수집합니다: 축 방향에서 실행, 슬라이스 두께 및 0.625mm 이하의 슬라이스 사이의 공간 확보, 0 간격. 헬리컬 모드의 슬라이스 스캐너, 슬라이스 두께 및 0.625mm의 슬라이스 사이의 공간(예: Neuro: Kvp 120, Smart mA 범위 100-740, 회전 속도 .5ms 또는 Cardiac: Kvp 70, Smart mA 범위 201-227(smart MA 모드 226), 회전 속도 0.28ms¹⁴)를 사용하여 CT 3D 시리즈를 획득합니다. 각 신체 부위에 대한 기관의 나선형 매개변수를 따릅니다.
         참고: 3D 시퀀스는 재구성 시 축, 코로나 및 시상면에서 거의 등방성 분해능이 되도록 획득해야 합니다. 대부분의 경우 가장 얇은 슬라이스를 획득해야 합니다. 3D 시퀀스는 이미징을 위한 기관의 표준 프로토콜과 함께 실행됩니다. 그러나 동시에 실행되기 때문에 의료진과 환자의 추가 작업, 방사선 노출 및 비용이 최소화됩니다.
2. 의사에게 분할 프로세스의 중심 초점이 될 해부학적 구조를 지정하여 모델의 분할을 요청하도록 요청합니다(일반적으로 의사 또는 외과 의사가 이 단계를 완료함).
3. 스캔 데이터를 다운로드하여 로컬에 저장합니다.
   1. 두 개 이상의 스캔을 수행한 경우 스캔의 DICOM 데이터 세트를 비교하여 분할할 때 가장 높은 해상도의 3D 모델을 제공할 수 있으므로 가장 얇은 슬라이스 설정과 최상의 대비를 가진 스캔 세트를 결정해야 합니다.
   2. 최상의 이미지 세트가 결정되면 세분화를 위해 이미지 데이터베이스에서 다운로드하거나, 익명화하거나, 보호된 건강 정보(PHI)와 함께 데이터를 그대로 둡니다. 이 프로토콜은 익명화된 DICOM과 함께 작동합니다.
4. DICOM 데이터 세트를 세그멘테이션 소프트웨어로 가져옵니다.
   참고: 다음 명령어 세트는 Materialise Mimics 세그멘테이션 소프트웨어와 관련된 용어를 사용합니다. Materialise Suite는 구독 기반 소프트웨어이지만 3DSlicer와 같은 오픈 소스 대안이 있습니다. 도구 이름과 용어는 다른 세그멘테이션 도구에 따라 다를 수 있습니다.
5. 뼈, 혈액 웅덩이, 동맥류 등과 같은 대상 해부학의 대략적인 마스크를 만듭니다.
   1. 세그먼트( SEGMENT ) 탭에서 새 마스크 도구(New Mask tool)를 선택합니다.
   2. 상한 및 하한 임계값 경계를 설정하고 둘 다 클릭하고 드래그하여 관련 대상 해부학을 최대한 많이 캡처하면서 주변 조직의 캡처를 제한합니다. 임계값 도구 내에서 경계를 클릭하고 끌거나 원하는 Hounsfield 단위(HU)를 입력합니다.
   3. 임계값을 설정하는 동안 주변 조직이 과도하게 선택되지 않도록 스캔의 특정 영역으로 자릅니다. 상한 및 하한 임계값 경계는 스캔 유형, 시퀀스 유형, 조영제 양 및 환자에 따라 크게 달라집니다.
   4. [확인]을 클릭하여 러프 마스크를 완성합니다.
6. 세그먼트(SEGMENT) 탭의 다른 도구를 사용하여 마스크의 불필요한 부분을 제거하거나 필요에 따라 누락된 조직을 추가합니다.
   1. 영역 확장 도구를 사용하여 사용자가 선택한 복셀에 직접 연결된 마스크의 모든 복셀을 분리합니다. 마스크 편집을 사용하여 2D 및 3D 창을 통해 마스크에 복셀을 추가하거나 제거할 수 있습니다. Multiple Slices Edit를 사용하여 더 멀리 떨어진 슬라이스 사이의 보간을 통해 복셀을 추가하거나 제거합니다. 을 클릭하고 [구멍 채우기] 또는 [스마트 채우기]를 사용하여 마스크 내에서 사용자 정의 크기의 구멍을 채울 수 있습니다.
   2. 2D에서 3D로의 보간이 가능한 한 정확해질 때까지 탭의 도구를 사용하여 마스크를 계속 다듬습니다.
7. 모든 표적 해부학에 대해 1.5단계와 1.6단계를 반복합니다.
8. 정확성을 보장하기 위해 완료된 분할에 대해 의사와 상담하십시오.
   1. 완성된 마스크를 의사에게 보여주어 중요한 해부학이 누락되지 않았는지, 과도한 해부학이 포함되지 않았는지 확인하십시오. 대부분의 경우 품질 관리를 위해 세분화를 요청하는 의사와 상의하십시오. 의사는 각 슬라이스의 마스크로 강조 표시된 DICOM 부분이 가능한 한 정확한지 확인합니다( 그림 1 참조).
9. 추가 처리를 위해 세그멘테이션을 내보냅니다.
   1. 오른쪽의 프로젝트 관리 메뉴에 있는 파트 계산 도구를 사용하여 완성된 마스크를 파트로 변환합니다.
   2. 부품을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 STL 내보내기를 선택하여 계산된 부품을 3D 파일로 내보냅니다.

2. 가상 현실을 위한 모델 준비

1. 새 블렌더 프로젝트를 만들고 기본 장면 요소를 제거합니다. a 키를 눌러 보이는 모든 요소를 강조 표시한 다음 x 키를 누른 다음 Enter 키를 눌러 장면에서 제거합니다.
   참고: Blender는 무료 오픈 소스 모델링 소프트웨어입니다. 다른 모델링 소프트웨어도 동일한 작업을 수행할 수 있지만 이 단계에서 사용되는 용어는 블렌더에만 해당됩니다.
2. 파일 > > Stl 가져오기(.stl)를 통해 해부학 파일을 가져옵니다.
3. 환자의 해부학적 구조를 세계의 기원에 맞춥니다.
   1. 상대적 위치를 유지하기 위해 모든 환자 해부학을 선택합니다. 이렇게 하려면 모든 파일을 가져온 후 a 키를 누릅니다.
   2. 이동 및 회전 도구를 사용하여 해부학을 세계의 원점에 맞춥니다. 환자의 코가 한 축으로 정렬되고 수직 축이 각각 귀 영역과 두개골 상단에 닿도록 합니다. 블렌더 인터페이스의 오른쪽 상단 모서리에 있는 위젯으로 활성화할 수 있는 직교 보기를 사용합니다.
4. VR 각도기를 가져와서 환자의 해부학적 구조에 맞춥니다. 이 각도기는 OSF 엔지니어링 팀이 3D 공간의 각도를 기반으로 VR에서 C-arm 각도를 획득하는 데 도움이 되도록 특별히 설계되었습니다.
   1. 보조 파일 1에서 각도기 .stl 파일을 가져옵니다.
   2. 가장 긴 측정 표시로 표시되는 각도기의 (0,0)을 환자의 코에 맞춥니다. 각도기 암의 틈을 환자의 발 쪽으로 향하게 합니다.
   3. 그에 따라 각도기의 크기를 조정합니다. 대부분의 경우 VR에서 크기를 조정한 후 쉽게 측정할 수 있도록 각도기를 매우 작게 조정하십시오. 동맥류의 경우 각도기가 동맥류 영역 바로 바깥쪽에 놓이도록 각도기의 크기를 조정하십시오.
5. 해부학적 원점을 세계 원점에 맞춥니다.
   1. 메인 뷰포트를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 커서를 월드 원점에 스냅(Snap > Cursor to World Origin) 을 선택합니다. 이렇게 하면 3D 커서가 전역 원점에 정렬됩니다.
   2. a 키를 사용하여 보이는 모든 모델을 선택합니다.
   3. 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 뷰포트를 클릭한 다음 원점을 3D 커서로 > 원점으로 설정을 선택합니다. 이렇게 하면 모든 모델의 3D 원점이 동일한 지점에 정렬되어 VR로 임포트할 때 적절하게 정렬되고 크기가 조정됩니다.
6. VR에서 더 나은 구별을 위해 원하는 대로 모델에 텍스처 또는 색상을 추가합니다.
   1. 이 단계는 선택 사항입니다. 개별 .stl 파일을 선택한 다음 화면 오른쪽에 있는 재료 속성 탭을 클릭합니다. 이 탭에서 기본 색상을 원하는 색상으로 조정할 수 있습니다. 각 개체에 대해 이 단계를 반복하여 색상을 추가합니다.
7. 완성된 모델을 단일로 내보냅니다. glb/.gltf 파일. 내보내기 창의 Include 탭에 있는 Limit to(다음으로 제한) 옵션이 선택되어 있지 않은지 확인합니다.
   참고: 그만큼. glb/.gltf 파일 형식은 VR 소프트웨어에서 사용하고 NIH 3D 라이브러리에 업로드하는 데 필요한 파일 형식을 반영합니다. 다른 소프트웨어에는 다른 내보내기 유형이 필요할 수 있습니다.

3. 가상 현실에서 의료 전문가 교육

알림: 다음 지침은 Enduvo 디지털 교실 소프트웨어와 함께 사용하도록 작성되었습니다. 다른 3D 보기 소프트웨어를 사용할 수도 있지만 모델 이동, 카메라 배치 및 의사 위치 기록 기능은 이 소프트웨어를 이 절차에 이상적으로 만드는 몇 가지 기능입니다. VR 헤드셋, 컨트롤러 및 소프트웨어 조합에 따라 컨트롤이 다를 수 있습니다.

1. 새 단원을 만듭니다.
   1. 2.7단계에서 내보낸 .gltf 파일을 단원 생성 메뉴로 가져옵니다. 업로드하려는 파일 형식(GLB)이 현재 완전히 지원되지 않는다는 메시지가 나타날 수 있습니다. 이 메시지를 무시하고 확인 버튼을 클릭합니다.
2. 마무리를 위해 VR에서 강의를 엽니다.
   1. 한 컨트롤러의 썸패드 또는 조이스틱을 눌러 액세스할 수 있는 투명도 메뉴를 사용하여 대상 해부학을 제외한 모든 모델을 숨깁니다. 동맥류가 보이는 유일한 모델이어야 합니다.
3. 외과 의사 또는 내과 의사를 VR에 배치하고 수업의 3D 공간과 기능 및 해부학적 구조에 익숙해질 수 있는 시간을 줍니다.
4. 외과의가 해부학적 구조에 익숙해지면 녹음을 시작합니다.
   1. VR 공간의 가상 버튼 또는 보조 모니터의 녹화 버튼을 사용하여 녹화 기능을 시작합니다.
   2. 외과의가 표적 해부학을 회전하여 전후방(AP) 및 측면 형광투시 보기 모두에 대해 선호하는 시야각을 찾도록 합니다. 선호하는 각도를 찾은 후 외과의에게 잠시 멈추고 선호하는 각도를 찾았고 현재 시야각이 AP인지 측면인지 말하도록 요청합니다.
   3. 원하는 각도를 모두 찾으면 VR 버튼이나 외부 모니터로 녹화를 중지합니다.

4. VR에서 형광투시 로드맵 생성

1. 기록된 외과의의 배치를 사용하여 형광투시 유사체를 획득합니다.
   1. 형광투시 이미지의 회색 색조 배경을 모방한 이미지를 가상 공간의 모델 뒤에 배치합니다. 컨트롤러의 선택 버튼(종종 컨트롤러 뒷면에 있는 트리거)을 사용하여 필요에 따라 이미지를 조작합니다. 이렇게 하면 일관된 배경색이 생성되어 해부학을 더 쉽게 볼 수 있고 형광투시를 더 잘 표현할 수 있습니다.
   2. 카메라를 선호하는 시야각으로 선언된 시간에 외과의의 시야와 일직선으로 배치하여 카메라가 대상 해부학의 대략 중앙을 가리키도록 합니다. 외과 의사는 VR에서 떠 있는 안경 세트와 두 개의 컨트롤러로 나타납니다.
   3. 카메라를 원하는 위치에 두고 2D 스냅샷을 촬영합니다. 원하는 각 각도에 대해 이 단계를 반복합니다.
2. 외과 의사의 움직임과 각도기를 사용하여 C-arm 각도를 획득합니다.
   1. 외과의가 선호하는 시야각을 선언하면 녹음된 수업을 일시 중지합니다.
   2. 트랙패드를 클릭하여 퀵 메뉴를 열고 켜기/끄기 확인란을 선택하여 모델에 부착된 각도기를 숨김 해제합니다.
   3. 컨트롤러의 잡기 버튼을 사용하여 각도기의 원점을 통과하면서 외과 의사의 관점에 따라 포인터 또는 직선을 선택하고 조작할 수 있습니다.
   4. 모델에서 뒤로 물러나 C-arm 동작에 해당하는 직교 시점의 각도를 확인합니다.
   5. 환자의 코가 모든 C-arm 축에서 0° 방향인 신경과 사례의 경우 시상면과 축면에서 AP 각도를 취합니다. 코로나 평면과 축 평면에서 측면 각도를 취하십시오. 두 경우 모두 축 평면은 C-arm의 오른쪽 및 왼쪽 각도에 해당하고 시상 및 관상 평면은 두개골 및 꼬리 각도에 해당합니다.
   6. 원하는 각 각도에 대해 위의 단계를 반복합니다.

제시된 프로토콜에 따라 AP 및 측면 형광투시 보기 모두에 대해 가상 수술 로드맵을 생성할 수 있습니다. 이러한 로드맵은 VR에서 외과의의 시점에 카메라를 배치하여 이상적인 AP 및 측면 보기를 캡처하는 동시에 형광 투시 이미지를 더 잘 복제하기 위해 대상 해부학 뒤에 컬러 배경을 배치하여 생성됩니다. 이 시점에서 VR 각도기는 외과의가 표적 해부학을 보는 각도를 기록하는 데 사용되며, 오른쪽 또는 왼쪽 전방 경사(RAO/LAO - 각각 환자의 오른쪽 또는 왼쪽으로 카메라 오프셋) 및 두개골 또는 꼬리 전방(CRA/CAA - 각각 환자의 머리 또는 발 쪽으로 카메라 오프셋)으로 기록됩니다15. 이 프로세스를 개발할 때 VR에서 측정된 각도와 수술 시 C-arm 기계에 사용된 실제 각도를 비교할 수 있는 기능을 제공하기 위해 후향적 사례가 사용되었습니다. 이 과정을 위해 세 가지 다른 후향적 사례가 선택되었으며, 각 사례는 다른 수술 장치로 치료되었습니다. 이 세 가지 사례의 다양성은 제시된 프로토콜의 다양성을 보여줍니다. 외과의는 수술 중에 사용된 C-arm 각도를 참조하지 않고 선호하는 AP 및 측면 각도를 찾도록 요청받았고, VR 측정은 이러한 기존 C-arm 위치와 비교되었습니다.

사례 1에서 선언된 선호 AP 시야각은 VR에서 16° CRA, 12° RAO로 측정되었습니다. 이 경우 수술에 사용된 실제 측정값은 11° CRA 및 13° RAO였습니다. 이러한 측정 중 최대 오차는 두개골/꼬리 축에서 5°입니다. 그림 2A 는 가상 현실에서 외과의가 선언한 AP 보기를 보여주고, 그림 2B는 VR에서 볼 수 있는 수술에 사용된 실제 각도를 보여주며, 그림 2C는 수술용 형광 투시 이미지를 보여줍니다. 세 이미지를 비교하면 VR 이미지가 동일한 각도에서 실제 형광 투시 이미지와 매우 유사하다는 것을 알 수 있습니다.

동일한 사례의 측면도는 3D 모델이 부적절하게 검토되었기 때문에 이 프로세스의 많은 과제 중 하나를 보여주었습니다. 이러한 잘못된 검토로 인해 외과 의사에 따르면 VR에서 동맥류를 볼 수 없고 표적 해부학과 연결되지 않아 VR에 정확하게 반영되지 않는 일부 외부 혈관이 분할되었습니다. 이러한 불일치는 의사와의 품질 관리 세션 동안 필요한 표적 해부학의 잘못된 의사 소통의 결과였습니다. 이러한 불일치는 그림 2D-F에서 볼 수 있는데, 이 그림은 외과의가 선언한 측면, 수술용 형광투시 각도에 기반한 VR 표현, 왼쪽에서 오른쪽으로 각각 실제 형광투시 이미지를 보여줍니다. 외래 혈관을 제외하고, 외과의가 선언한 AP 보기는 실제 형광 투시 이미지와 매우 유사하지만, 측정된 측정값은 관상면과 축면에서 각각 6° 및 26° 차이가 납니다. 그림 2E에서 볼 수 있듯이 VR에서 실제 측정값을 복제한 것 역시 그림 2F의 오른쪽에 표시된 실제 형광투시법과 유사한 보기를 보여주며, 주요 불일치는 변칙적인 추가 혈관입니다. 이 경우 각도기 도구의 신뢰성이 떨어지는 수동 배치를 사용했으며, 이는 약간의 측정 차이를 설명할 수 있습니다. 향후 VR에서 측정한 각도 측정의 최대 정확도를 보장하기 위해 해부학에 바인딩된 각도기를 사용합니다.

사례 2와 3에서 VR에서 최적으로 선택된 뷰는 실제 절차에서 사용된 뷰를 대표하지 않았습니다. 이는 VR에 모델을 처음 배치하는 것이 블라인드 연구였기 때문입니다. 외과의는 형광 투시 시술이 여러 가지 허용 가능한 치료 각도를 가질 수 있으며 반드시 정확한 각도가 있는 것은 아니라고 표현했다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 비교를 위해 보고된 수술 각도에서 VR로 이미지를 촬영했습니다. 그림 3은 그림 3A의 VR AP 보기와 그림 3B의 수술 AP 보기를 보여줍니다. 그림 3에서는 사례 2에 대해 그림 3C,D의 측면도를 비교할 수 있습니다. 사례 3의 경우 그림 4는 AP 비교 그림 4A,B와 측면 비교 그림 4C,D를 보여줍니다. 이러한 사례의 VR과 형광 투시 이미지 간의 유사성은 VR이 수술 계획에 사용될 수 있음을 보여줍니다.

이 프로토콜의 중요한 이점은 VR 환경에서 3D 모델을 활용하여 수술 계획을 개선할 수 있다는 것입니다. 복잡한 종양 증례에 대한 수술 계획에서 VR의 효과에 대한 이전 연구에 따르면 VR을 사용한 증례의 약 50%가 2D 데이터 세트만 사용하여 만든 계획에서 수술 접근 방식을 변경했습니다9. VR은 또한 간 종양 절제술(16,17)을 위한 수술 계획 과정과 두경부 병리학(head and neck pathology)을 포함하는 절차(18)에서 유용한 것으로 입증되었다. 이 프로토콜 제작에 참여한 외과 의사는 다음과 같이 말했습니다. VR에서는 [해부학]을 훨씬 더 잘 볼 수 있어 혈관 내 신경외과 응용 분야에서 VR의 이점을 보여줍니다.

그림 1: 세그멘테이션 소프트웨어 내에서 찍은 스크린샷. 스크린샷은 마스크를 기반으로 강조 표시된 해부학을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 사례 1. (A) 수술 외과의가 VR에 배치한 사례 1의 전후 모습. (B) 수술 중 측정한 각도를 기반으로 VR에서 사례 1의 전후 모습. (C) 수술 중 캡처한 전후 형광투시 뷰. (D) VR에서 수술 외과의가 배치한 사례 1의 측면도. (E) 수술 중 측정한 각도를 기반으로 한 VR에서 사례 1의 측면도. (F) 수술 중 캡처한 측면 형광투시 뷰. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 사례 2. (A) 수술 중 측정한 각도를 기반으로 VR에서 사례 2의 전후 보기. (B) 수술 중 캡처한 사례 2의 전후 형광투시 보기. (C) 수술 중 측정한 각도를 기반으로 VR에서 사례 2의 측면도. (D) 수술 중 캡처한 사례 2의 측면 형광투시경 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 사례 3. (A) 수술 중 측정한 각도를 기반으로 VR에서 사례 3의 전후 모습. (B) 수술 중 캡처한 사례 3의 전후 형광투시 보기. (C) 수술 중 측정한 각도를 기반으로 한 VR에서 사례 3의 측면도. (D) 수술 중 촬영한 사례 3의 측면 형광투시경 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 1: 각도기의 3D 모델이 개발되어 STL 파일 형식의 프로토콜에 사용되었습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

Matthew Bramlet은 Enduvo, Inc.의 공동 설립자입니다. 나머지 저자들은 이 논문에 기술된 연구와 관련되거나 물질적인 재정적 이해관계가 없음을 선언한다.