Pionierskie podejścia do precyzyjnej chirurgii dostosowanej do potrzeb pacjenta z wykorzystaniem obrazowania i rzeczywistości wirtualnej

Podsumowanie

Postęp w leczeniu wewnątrznaczyniowym zastąpił skomplikowane otwarte procedury chirurgiczne minimalnie inwazyjnymi opcjami, takimi jak wymiana zastawki i naprawa tętniaka. W artykule zaproponowano wykorzystanie modelowania trójwymiarowego (3D) i rzeczywistości wirtualnej do pomocy w pozycjonowaniu ramienia C, pomiarach kąta i generowaniu mapy drogowej do planowania procedur w laboratorium cewnikowania neurointerwencyjnego, minimalizując czas zabiegu.

Streszczenie

Wewnątrznaczyniowe leczenie złożonych anomalii naczyniowych przenosi ryzyko otwartych zabiegów chirurgicznych na korzyść minimalnie inwazyjnych rozwiązań wewnątrznaczyniowych. Skomplikowane otwarte zabiegi chirurgiczne były kiedyś jedyną opcją leczenia niezliczonych schorzeń, takich jak wymiana zastawki płucnej i aortalnej, a także naprawa tętniaka mózgu. Jednak ze względu na postęp w urządzeniach dostarczanych przez cewnik i doświadczenie operatorów, procedury te (wraz z wieloma innymi) mogą być obecnie wykonywane za pomocą minimalnie inwazyjnych procedur dostarczanych przez żyłę lub tętnicę centralną lub obwodową. Decyzja o przejściu z procedury otwartej na podejście endowaskularne opiera się na obrazowaniu multimodalnym, często obejmującym zestawy danych obrazowania 3D Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). Wykorzystując te obrazy 3D, nasze laboratorium generuje modele 3D anatomii patologicznej, umożliwiając w ten sposób analizę przedzabiegową niezbędną do wstępnego zaplanowania krytycznych elementów procedury laboratorium cewnikowania, a mianowicie pozycjonowania ramienia C, pomiaru 3D i generowania wyidealizowanej mapy drogowej. W tym artykule opisano, jak pobierać segmentowane modele 3D patologii specyficznej dla pacjenta i przewidywać uogólnione pozycje ramienia C, jak mierzyć krytyczne dwuwymiarowe (2D) pomiary struktur 3D istotnych dla projekcji fluoroskopowych 2D oraz jak generować analogi mapy drogowej fluoroskopii 2D, które mogą pomóc w prawidłowym ustawieniu ramienia C podczas zabiegów w laboratorium cewnikowania.

Wprowadzenie

Leczenie tętniaków wewnątrzczaszkowych jest trudnym aspektem chirurgii neurointerwencyjnej, wymagającym precyzyjnego planowania chirurgicznego w celu zapewnienia optymalnych wyników leczenia pacjentów. W ostatnich latach technologia rzeczywistości wirtualnej (VR) stała się obiecującym narzędziem usprawniającym planowanie chirurgiczne, zapewniając chirurgom dostęp do wciągających, specyficznych dla pacjenta modeli anatomicznych w wirtualnym środowisku 3D^1,2,3,4,5^,6,7,8. Ten artykuł przedstawia kompleksowy protokół wykorzystania obrazowania medycznego i segmentacji, modelowania 3D, planowania chirurgicznego VR oraz generowania wyidealizowanych wirtualnych map drogowych, aby pomóc w chirurgicznym planowaniu leczenia tętniaków.

Połączenie tych kroków kończy się wirtualnym podejściem do planowania chirurgicznego, pozwalając lekarzom zanurzyć się w wirtualnym środowisku i uzyskać kompleksowe zrozumienie unikalnej anatomii pacjenta przed zabiegiem chirurgicznym. To wciągające podejście umożliwia chirurgom badanie optymalnego ułożenia i symulowanie różnych scenariuszy zabiegowych. Rejestrowanie tych scenariuszy może zapewnić wgląd w rozmieszczenie rzeczywistego sprzętu chirurgicznego, takiego jak pozycjonowanie ramienia C.

Oprócz kątów pozycjonowania, możliwe jest również mierzenie anatomii w środowisku wirtualnym za pomocą narzędzi pomiarowych przeznaczonych dla przestrzeni 3D. Pomiary te mogą dostarczyć informacji na temat prawidłowego rozmiaru i kształtu urządzenia, które ma być używane w przypadku tętniaka wewnątrzczaszkowego⁹.

Ten protokół przedstawia kompleksowy proces, który płynnie łączy obrazowanie medyczne, segmentację obrazu, przygotowanie modelu VR i generowanie wirtualnej mapy drogowej operacji, aby usprawnić proces planowania operacji. Wykorzystując kombinację najnowocześniejszych technologii, protokół ten zapewnia możliwość zaoszczędzenia cennego czasu na sali operacyjnej¹⁰, a także zwiększa pewność siebie chirurga i jego zrozumienie złożonych przypadków chirurgicznych^11,12,13.

Protokół

1. Anatomiaspecyficzna dla danego

języka

1. Pozyskiwanie skanów medycznych
   1. Rozpocznij proces segmentacji od lekarza lub chirurga, który zleci skany medyczne. Skany te są częścią standardowego protokołu opieki nad pacjentem i nie wprowadzają dodatkowych procedur.
   2. Jeśli lekarz wie, że poprosi o segmentację, upewnij się, że prosi o wyeksportowanie cienko pokrojonych zestawów danych z rezonansu magnetycznego lub tomografii komputerowej. W większości przypadków te cienkie plasterki mają grubość mniejszą niż 1 mm; Jednak ta rozdzielczość może się różnić w zależności od skanera. Wykonaj skany CTA z kontrastem, aby zapewnić prawidłową segmentację naczyń krwionośnych i puli krwi.
      1. W celu uzyskania danych należy pobrać sekwencję MRI 3D z następującymi sugerowanymi parametrami: bieg w osi, zapewnić grubość warstwy i odstęp między warstwami 0,625 mm lub mniejszy, odstępy zerowe. Uzyskaj serię CT 3D z następującymi sugerowanymi parametrami: skaner warstw w trybie spiralnym, grubość warstwy i odstęp między warstwami 0,625 mm, np. Neuro: Kvp 120, zakres Smart mA 100-740, prędkość obrotowa przy 0,5 ms lub Cardiac: Kvp 70, zakres Smart mA 201-227 (inteligentny tryb MA 226), prędkość obrotowa 0,28 ms¹⁴. Postępuj zgodnie z parametrami spiralnymi instytucji dla każdej części ciała.
         UWAGA: Sekwencja 3D powinna być uzyskana tak, aby w rekonstrukcji była rozdzielczość zbliżona do izotropowej w płaszczyźnie osiowej, czołowej i strzałkowej. W większości przypadków należy pozyskać najcieńsze plastry. Sekwencja 3D jest uruchamiana jako dodatek do standardowego protokołu obrazowania stosowanego przez instytucję. Jest jednak prowadzony w tym samym czasie, więc dodatkowa praca, narażenie na promieniowanie i koszty dla zespołu klinicznego i pacjenta są minimalne.
2. Poproś lekarza, aby poprosił o segmentację modelu, określając, jaka anatomia będzie głównym celem procesu segmentacji (lekarz lub chirurg zwykle wykonuje ten krok).
3. Pobierz dane skanowania i zapisz je lokalnie.
   1. Jeśli wykonano więcej niż jedno skanowanie, upewnij się, że zestawy danych DICOM ze skanowania są porównywane w celu określenia, który zestaw skanowania ma najcieńsze ustawienie wycinka i najlepszy kontrast, ponieważ zapewni to najwyższą rozdzielczość modeli 3D po podzieleniu na segmenty.
   2. Po ustaleniu najlepszego zestawu obrazów pobierz go z bazy danych obrazów w celu segmentacji, anonimizacji lub pozostawienia danych bez zmian w chronionych informacjach zdrowotnych (PHI). Ten protokół będzie działał z anonimowym DICOM.
4. Zaimportuj zestaw danych DICOM do oprogramowania do segmentacji.
   UWAGA: Poniższy zestaw instrukcji używa terminów specyficznych dla oprogramowania do segmentacji Materialise Mimics. Chociaż pakiet Materialise Suite jest oprogramowaniem opartym na subskrypcji, istnieją alternatywy typu open source, takie jak 3DSlicer. Nazwy narzędzi i terminologia mogą się różnić w zależności od innych narzędzi do segmentacji.
5. Stwórz przybliżoną maskę docelowej anatomii, takiej jak kość, kałuża krwi, tętniak itp.
   1. Na karcie SEGMENT wybierz narzędzie Nowa maska.
   2. Ustaw górną i dolną granicę progu, klikając i przeciągając oba, aby uchwycić jak najwięcej odpowiedniej anatomii celu, jednocześnie ograniczając przechwytywanie otaczających tkanek. Kliknij i przeciągnij granice w narzędziu progu lub wprowadź żądaną jednostkę Hounsfielda (HU).
   3. Podczas ustawiania progów przytnij do określonego obszaru skanowania, aby uniknąć nadmiernej selekcji otaczającej tkanki. Górna i dolna granica progu różnią się znacznie w zależności od typu skanowania, typu sekwencji, stopnia kontrastu i pacjenta.
   4. Kliknij przycisk OK, aby sfinalizować maskę zgrubną.
6. Użyj innych narzędzi na karcie SEGMENT, aby usunąć niepotrzebne części maski lub dodać brakującą tkankę w razie potrzeby.
   Użyj
   1. narzędzia Powiększanie regionu, aby oddzielić wszystkie woksele maski bezpośrednio połączone z wokselem wybranym przez użytkownika; użyj narzędzia Edytuj maskę, aby dodać lub usunąć woksele w masce za pomocą okien 2D i 3D; użyj opcji Edycja wielu plasterków, aby dodać lub usunąć woksele poprzez interpolację między plasterkami znajdującymi się dalej od siebie; a następnie użyj opcji Wypełnij otwory lub Inteligentne wypełnienie, aby wypełnić otwory o rozmiarze zdefiniowanym przez użytkownika w masce.
   2. Kontynuuj poprawianie maski, korzystając z narzędzi na karcie, aż interpolacja 2D do 3D będzie tak dokładna, jak to możliwe.
7. Powtórz kroki 1.5 i 1.6 dla wszystkich docelowych struktur anatomicznych.
8. Skonsultuj się z lekarzem w sprawie zakończonej segmentacji, aby zapewnić dokładność.
   1. Pokaż gotowe maski lekarzowi, aby upewnić się, że ważna anatomia nie została pominięta, a nadmiar anatomii nie został uwzględniony. W większości przypadków skonsultuj się z lekarzem, który prosi o segmentację w celu kontroli jakości. Lekarz upewnia się, że część DICOM podświetlona przez maskę na każdym wycinku jest tak dokładna, jak to możliwe (patrz Rysunek 1).
9. Segmentacja eksportu w celu dalszego przetwarzania.
   1. Konwertuj sfinalizowane maski na części za pomocą narzędzia Oblicz część znajdującego się w menu Zarządzanie projektem po prawej stronie.
   2. Eksportuj obliczone części do plików 3D, klikając prawym przyciskiem myszy część i wybierając opcję Eksportuj STL.

2. Przygotuj model do wirtualnej rzeczywistości

1. Utwórz nowy projekt Blendera i usuń domyślne elementy sceny. Naciśnij a, aby podświetlić wszystkie widoczne elementy, a następnie x, a następnie Enter, aby usunąć je ze sceny.
   UWAGA: Blender to darmowe oprogramowanie do modelowania o otwartym kodzie źródłowym. Podczas gdy inne programy do modelowania mogą być w stanie wykonać te same zadania, terminologia użyta w tym kroku będzie specyficzna dla Blendera.
2. Zaimportuj pliki anatomiczne za pomocą opcji Plik > Importuj > Stl (.stl).
3. Dostosuj anatomię pacjenta do pochodzenia świata.
   1. Wybierz całą anatomię pacjenta, aby zachować względne położenie. Aby to zrobić, naciśnij a po zaimportowaniu wszystkich plików.
   2. Użyj narzędzi Przesuwanie i Obróć, aby wyrównać anatomię z początkiem świata. Upewnij się, że nos pacjenta jest wyrównany z jedną osią, przy czym oś prostopadła styka się odpowiednio z obszarem ucha i górną częścią czaszki. Korzystaj z widoków prostokątnych, które można aktywować za pomocą widżetu w prawym górnym rogu interfejsu blendera.
4. Zaimportuj kątomierz VR i dopasuj go do anatomii pacjenta. Ten kątomierz został specjalnie zaprojektowany przez zespół inżynierów OSF, aby pomóc w pozyskiwaniu kątów ramienia C w VR, na podstawie kątów w przestrzeni 3D.
   1. Zaimportuj plik .stl kątomierza z pliku uzupełniającego 1.
   2. Wyrównaj (0,0) na kątomierzu, reprezentowanym przez najdłuższy znak pomiaru, z nosem pacjenta. Ustaw szczelinę w ramionach kątomierza w kierunku stóp pacjenta.
   3. Odpowiednio przeskaluj kątomierz. W większości przypadków kątomierz należy skalować dość mało, aby zapewnić łatwość pomiaru po skalowaniu w VR. W przypadku tętniaków należy postarać się o skalowanie kątomierza w taki sposób, aby znajdował się tuż poza obszarem tętniaka.
5. Dopasuj początki anatomii do początków świata.
   1. Kliknij prawym przyciskiem myszy, kliknij główną rzutnię i wybierz opcję Przyciągaj kursor > do początku świata. Dzięki temu kursor 3D zostanie wyrównany z początkiem układu współrzędnych globalnych.
   2. Wybierz wszystkie widoczne modele za pomocą a.
   3. Kliknij prawym przyciskiem myszy, kliknij w rzutni i wybierz Ustaw początek > Początek układu współrzędnych na kursor 3D. Powoduje to wyrównanie początku 3D wszystkich modeli do tego samego punktu, zapewniając, że będą one prawidłowo wyrównane i skalowane po zaimportowaniu do VR.
6. Dodaj teksturę lub kolor do modeli zgodnie z potrzebami, aby lepiej rozróżnić się w VR.
   1. Jest to krok opcjonalny. Wybierz poszczególne pliki .stl, a następnie kliknij kartę Właściwości materiału po prawej stronie ekranu. W tej zakładce kolor bazowy można dostosować do żądanego koloru. Powtórz ten krok dla każdego obiektu, aby dodać kolor.
7. Wyeksportuj sfinalizowany model jako pojedynczy plik glb/.gltf. Upewnij się, że nie jest zaznaczona żadna z opcji Ogranicz do na karcie Dołączanie w oknie eksportu.
   UWAGA: Ten. Format pliku glb/.gltf odzwierciedla typ pliku wymagany do użycia w oprogramowaniu VR, a także do przesłania do biblioteki NIH 3D. W przypadku innego oprogramowania mogą być potrzebne inne typy eksportu.

3. Szkolenie lekarzy w wirtualnej rzeczywistości

UWAGA: Poniższe instrukcje są napisane do użytku z oprogramowaniem do cyfrowej klasy Enduvo. Chociaż możliwe jest korzystanie z innego oprogramowania do przeglądania 3D, możliwość przesuwania modeli, umieszczania kamer i nagrywania pozycji lekarza to niektóre funkcje, które sprawiają, że to oprogramowanie jest idealne do tej procedury. Różne zestawy słuchawkowe VR, kontrolery i kombinacje oprogramowania mogą mieć różne elementy sterujące.

1. Utwórz nową lekcję.
   1. Zaimportuj plik .gltf wyeksportowany w kroku 2.7 z menu tworzenia lekcji. Oprogramowanie może wygenerować komunikat o następującej treści: Typ pliku (GLB), który próbujesz przesłać, nie jest obecnie w pełni obsługiwany. Zignoruj ten komunikat i kliknij przycisk Potwierdź.
2. Otwórz lekcję w VR w celu sfinalizowania.
   1. Korzystając z menu przezroczystości, do którego można uzyskać dostęp po naciśnięciu pendrive'a lub joysticka jednego z kontrolerów, ukryj wszystkie modele z wyjątkiem docelowej anatomii. Tętniak powinien być jedynym widocznym modelem.
3. Umieść chirurga lub lekarza w VR i daj mu trochę czasu na zapoznanie się z przestrzenią i funkcjami 3D oraz anatomią na lekcji.
4. Gdy chirurg poczuje się komfortowo z anatomią, rozpocznij nagrywanie.
   1. Uruchom funkcję nagrywania za pomocą wirtualnego przycisku w przestrzeni VR lub przycisku nagrywania na monitorze dodatkowym.
   2. Pozwól chirurgowi obrócić anatomię docelową, aby znaleźć preferowane kąty widzenia zarówno dla przednio-tylnego (AP), jak i bocznego widoku fluoroskopowego. Po znalezieniu preferowanego kąta poproś chirurga, aby zatrzymał się na chwilę i stwierdził, że znalazł preferowany kąt i czy obecny kąt widzenia to AP czy boczny.
   3. Po znalezieniu wszystkich preferowanych kątów zatrzymaj nagrywanie za pomocą przycisku VR lub monitora zewnętrznego.

4. Generowanie mapy drogowej fluoroskopii w VR

1. Zdobądź analogi fluoroskopii za pomocą zarejestrowanego umieszczenia chirurga.
   1. Umieść obraz naśladujący szary odcień tła obrazu fluoroskopowego za modelem w przestrzeni wirtualnej. Użyj przycisku wyboru na kontrolerze, często spustu z tyłu kontrolera, aby manipulować obrazem w razie potrzeby. Tworzy to spójny kolor tła, który ułatwia przeglądanie anatomii i jest bardziej reprezentatywny dla fluoroskopii.
   2. Ustaw kamerę w jednej linii z okiem chirurga w czasie zadeklarowanym jako preferowany kąt widzenia, upewniając się, że kamera jest skierowana mniej więcej na środek docelowej anatomii. Chirurg pojawi się w VR jako zestaw unoszących się w powietrzu okularów i dwóch kontrolerów.
   3. Zrób migawkę 2D, gdy aparat znajduje się w żądanej pozycji. Powtórz ten krok dla każdego preferowanego kąta.
2. Uzyskuj kąty ramienia C za pomocą ruchów chirurga i kątomierza.
   1. Zatrzymaj nagraną lekcję, gdy chirurg zadeklaruje preferowany kąt widzenia.
   2. Kliknij panel dotykowy, aby otworzyć menu podręczne i zaznacz pole wyboru Wł./Wył., aby odkryć kątomierz dołączony do modelu.
   3. Użyj przycisku chwytania na kontrolerze, aby wybrać i manipulować wskaźnikiem lub krawędzią prostą zgodnie z punktem widzenia chirurga, przechodząc również przez początek kątomierza.
   4. Cofnij się od modelu i wyświetl kąty z prostopadłych punktów widzenia odpowiadających ruchom ramienia C.
   5. W przypadku neurologii, w którym nos pacjenta jest zorientowany pod kątem 0° we wszystkich osiach ramienia C, należy przyjąć kąty AP z płaszczyzny strzałkowej i osiowej. Weź kąty boczne od płaszczyzny koronalnej i osiowej. W obu przypadkach płaszczyzna osiowa odpowiada prawemu i lewemu kątowi ramienia C, podczas gdy płaszczyzna strzałkowa i czołowa odpowiadają kątom czaszkowym i ogonowym.
   6. Powtórz powyższe kroki dla każdego preferowanego kąta.

Wyniki

Zgodnie z przedstawionym protokołem, wirtualne mapy drogowe chirurgii mogą być generowane zarówno dla widoku AP, jak i bocznego fluoroskopii. Te mapy drogowe są tworzone poprzez umieszczenie kamery w punkcie widzenia chirurga w VR, aby uchwycić ich idealne widoki AP i boczne, jednocześnie umieszczając kolorowe tło za anatomią celu, aby lepiej odtworzyć obraz fluoroskopowy. Kątomierz VR służy w tym momencie do rejestrowania kąta, z którego chirurg ogląda anatomię docelową, rejestrowanego jako prawy lub lewy przedni skośny (RAO/LAO - kamera przesunięta odpowiednio w prawo lub w lewo) oraz czaszkowy lub ogonowy przedni (CRA/CAA - kamera przesunięta w kierunku głowy lub stóp pacjenta, odpowiednio)¹⁵. Opracowując ten proces, wykorzystano przypadki retrospektywne, aby zapewnić możliwość porównania kątów mierzonych w VR z rzeczywistymi kątami używanymi w maszynach z ramieniem C w chirurgii. Do tego procesu wybrano trzy różne przypadki retrospektywne, z których każdy był leczony innym urządzeniem chirurgicznym. Różnorodność tych trzech przypadków świadczy o uniwersalności prezentowanego protokołu. Chirurg został poproszony o znalezienie preferowanych kątów AP i bocznych bez odwoływania się do kątów ramienia C używanych podczas zabiegu, a następnie pomiary VR zostały porównane z tymi wcześniej istniejącymi pozycjami ramienia C.

W przypadku 1, deklarowany preferowany kąt widzenia punktu dostępowego został zmierzony w VR jako 16° CRA, 12° RAO. Rzeczywiste pomiary użyte w chirurgii w tym przypadku to 11° CRA i 13° RAO. Maksymalny błąd wśród tych pomiarów wynosi 5° na osi czaszkowo-ogonowej. Rysunek 2A pokazuje deklarowany przez chirurga widok AP w rzeczywistości wirtualnej, następnie Rysunek 2B, który pokazuje rzeczywisty kąt używany w chirurgii w VR, oraz Rysunek 2C, który pokazuje obraz z chirurgicznej fluoroskopii. Porównanie tych trzech obrazów pokazuje, że obrazy VR są niezwykle podobne do rzeczywistego obrazu fluoroskopowego pod tym samym kątem.

Widok boczny tego samego przypadku pokazał jedno z wielu wyzwań tego procesu, ponieważ model 3D nie został odpowiednio przejrzany. Z powodu tej wadliwej oceny stwierdzono segmentację niektórych zewnętrznych naczyń, które według chirurga hamowały widzenie tętniaka w VR i nie są połączone z anatomią docelową i jako takie nie są dokładnie odzwierciedlone w VR. Rozbieżności te były wynikiem nieporozumień w zakresie wymaganej anatomii docelowej podczas sesji kontroli jakości z lekarzem. Rozbieżności te można zobaczyć odpowiednio na rysunku Rysunek 2D-F, który pokazuje deklarowaną boczną stronę chirurga, reprezentację VR opartą na kątach fluoroskopii chirurgicznej oraz rzeczywiste obrazy fluoroskopowe od lewej do prawej. Z wyjątkiem naczyń obcych, deklarowany przez chirurga widok AP jest bardzo podobny do rzeczywistego obrazu fluoroskopowego, mimo że wykonane pomiary były odchylone odpowiednio o 6° i 26° w płaszczyźnie czołowej i osiowej. Replikacja rzeczywistych pomiarów w VR, jak pokazano na Rysunek 2E, również przedstawia podobny widok do rzeczywistej fluoroskopii pokazanej po prawej stronie Rysunek 2F, przy czym główną rozbieżnością są anomalne dodatkowe naczynia. W tym przypadku zastosowano mniej niezawodne ręczne umieszczenie kątomierza, co może tłumaczyć niewielką różnicę w pomiarze. W przyszłych przypadkach wykorzystuje się kątomierz, który jest powiązany z anatomią, aby zapewnić maksymalną dokładność pomiarów kątów wykonywanych w VR.

W przypadkach 2 i 3 widoki wybrane jako optymalne w VR nie były reprezentatywne dla widoków użytych w rzeczywistej procedurze. Wynikało to z faktu, że początkowe umieszczanie modeli w VR było badaniem typu blind study. Ważne jest, aby pamiętać, że chirurg stwierdził, że zabiegi fluoroskopowe mogą mieć wiele akceptowalnych kątów leczenia i niekoniecznie istnieje prawidłowy kąt. Dla celów porównawczych zdjęcia zostały wykonane w VR z podanych kątów chirurgicznych. Rysunek 3 pokazuje widok VR AP w Rysunek 3A i widok chirurgicznego AP w Rysunek 3B. W Rysunek 3, podobne porównanie można wykonać między widokami bocznymi w Rysunek 3C,D dla przypadku 2. Dla przypadku 3 Rysunek 4 przedstawia porównanie AP Rysunek 4A,B, a także porównanie boczne Rysunek 4C,D. Podobieństwa między obrazami VR i fluoroskopowymi tych przypadków dodatkowo pokazują zdolność VR do wykorzystania w planowaniu chirurgicznym.

Ważną korzyścią z tego protokołu jest poprawa planowania chirurgicznego poprzez wykorzystanie modeli 3D w środowisku VR. Poprzednie badanie dotyczące skuteczności VR w planowaniu chirurgicznym dla złożonych przypadków onkologicznych wykazało, że około 50% przypadków, w których zastosowano VR, zmieniło podejście chirurgiczne w stosunku do planu wykonanego przy użyciu tylko zestawów danych 2D⁹. Udowodniono również, że VR jest przydatny w procesie chirurgicznego planowania resekcji guza wątroby^16,17, a także w procedurach związanych z patologią głowy i szyi¹⁸. Chirurg biorący udział w tworzeniu tego protokołu stwierdził, że : w VR widzę [anatomię] o wiele lepiej, pokazując korzyści płynące z VR w zastosowaniach neurochirurgii wewnątrznaczyniowej.

Rysunek 1: Zrzut ekranu z poziomu oprogramowania do segmentacji. Zrzut ekranu przedstawia podświetloną anatomię opartą na maskach. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Przypadek 1. (A) Widok przednio-tylny przypadku 1 umieszczony przez chirurga operującego w VR. (B) Widok przednio-tylny przypadku 1 w VR na podstawie pomiarów kąta wykonanych podczas operacji. (C) Widok przednio-tylny fluoroskopii uchwycony podczas operacji. (D) Widok boczny przypadku 1 umieszczony przez chirurga operującego w VR. (E) Widok boczny przypadku 1 w VR na podstawie pomiarów kąta wykonanych podczas operacji. (F) Widok fluoroskopii bocznej uchwycony podczas operacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Przypadek 2. (A) Przednio-tylny widok Przypadku 2 w VR na podstawie pomiarów kąta wykonanych podczas operacji. (B) Widok przednio-tylny fluoroskopii przypadku 2 uchwycony podczas operacji. (C) Widok boczny przypadku 2 w VR na podstawie pomiarów kąta wykonanych podczas operacji. (D) Widok fluoroskopii bocznej przypadku 2 uchwycony podczas operacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Przypadek 3. (A) Przednio-tylny widok Przypadku 3 w VR na podstawie pomiarów kąta wykonanych podczas operacji. (B) Widok fluoroskopii przednio-tylnej przypadku 3 uchwycony podczas operacji. (C) Widok boczny przypadku 3 w VR na podstawie pomiarów kąta wykonanych podczas operacji. (D) Widok fluoroskopii bocznej przypadku 3 uchwycony podczas operacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Plik uzupełniający 1: Model 3D kątomierzy został opracowany i wykorzystany do protokołu w formacie pliku STL. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Modelowanie 3D zostało wprowadzone do medycznych przepływów pracy wraz z pojawieniem się technologii druku 3D 2,3,4,6,7,9,11, ale VR zapewnia nowatorskie zastosowania technologii 3D poza fizycznym obiektem 3D. Próby odtworzenia anatomii i scenariuszy w wirtualnym świecie pozwalają na spersonalizowaną praktykę medyczną na poszczególnych pacjentach 1,2,3,4,9,11,13,16. Praca ta demonstruje szerokie możliwości tworzenia nowych symulacji przedoperacyjnych w cyfrowym świecie przy minimalnym wysiłku.

W całym przedstawionym protokole znajduje się kilka kroków, które mają kluczowe znaczenie dla powodzenia sprawy. Najważniejszym czynnikiem w uzyskaniu odpowiednich wyników z właściwą rozdzielczością jest uzyskanie prawidłowego obrazowania medycznego. Prezentowany proces nie wymaga dodatkowych badań USG na pacjencie, z wykorzystaniem standardowego badania CTA, które jest planowane dla każdego przypadku tętniaka wewnątrzczaszkowego. Większość skanerów przechowuje skany przez krótki czas, w zależności od modelu skanera i protokołu systemu opieki zdrowotnej, co pozwala technikowi obrazowania na przesłanie uzyskanych cienkich plasterków skanów, zwykle plasterki o grubości mniejszej niż 1 mm często nie są przechowywane dłużej niż kilka dni ze względu na rozmiar pamięci. Te cienkie plasterki pozwalają na uzyskanie większej szczegółowości i uwzględnienie mniejszej anatomii, takiej jak naczynia krwionośne. Po przeprowadzeniu segmentacji należy przeprowadzić kontrolę jakości przez lekarza, aby zapewnić, że wygenerowane modele 3D jak najdokładniej odwzorowują anatomię pacjenta w przyszłych krokach. Kontrola jakości wszystkich modeli powinna być częścią procesu segmentacji, minimalizując możliwość rozprzestrzeniania się błędów w pozostałej części protokołu. Kontrola jakości obejmuje granice naczyń krwionośnych i segmentację tętniaka oddzielnie od otaczających naczyń, podobnie jak w przypadku kontrastu. Kontrola jakości z lekarzem ma ogromne znaczenie, ponieważ lekarz ponosi pełną odpowiedzialność za dokładność modeli, zwłaszcza jeśli modele mają być wykorzystywane w dalszym podejmowaniu decyzji dotyczących leczenia pacjenta. W niektórych okolicznościach może być wykonalne lub praktyczne, aby lekarz samodzielnie wykonał etap segmentacji.

Kolejnym ważnym krokiem w protokole jest utrzymanie wyrównania modelu przestrzennego przy jednoczesnej integracji narzędzia pomiarowego kątomierza. Blender okazał się niezwykle pomocnym narzędziem na tym etapie, ponieważ pozwala na połączenie wielu typów plików STL w jeden połączony plik z wieloma warstwami, z których każda jest wyrównana przestrzennie i może być kolorowana lub teksturowana dla zwiększenia przejrzystości. Dodatkowo na tym etapie dodawany jest kątomierz STL, dzięki czemu dane kątowe mogą być zbierane w VR. Ten model kątomierza został specjalnie opracowany przy użyciu narzędzia do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), SolidWorks. Korzystając z wysoce precyzyjnych narzędzi do wymiarowania w oprogramowaniu, stworzono łuk ze znakami tikowymi oznaczającymi co 5° we wszystkich trzech osiach. Kątomierz posiada również krzyż nitkowy oznaczający prawdziwy środek tego modelu i pozwalający na wyrównanie ze środkiem anatomii pacjenta. W modelu znajduje się również duża kreska oznaczająca (0,0), która ma być wyrównana z nosem pacjenta. Należy również pamiętać, że zostało to zrobione ręcznie i mogło zwiększyć odsetek błędów. Wyrównanie ma ogromne znaczenie dla zapewnienia dokładności wszystkich potencjalnych pomiarów kąta. Po odpowiednim wyrównaniu model jest gotowy do VR, gdzie zapis ułożenia modelu przez lekarza pozwala na określenie w przyszłości kątów, pod jakimi model został umieszczony. Podczas nagrania wszystko w przestrzeni wirtualnej jest rejestrowane w odniesieniu do siebie nawzajem, przede wszystkim punkt widzenia lekarza (POV) oraz ruchy i obroty modeli. Wykorzystując w pełni to nagranie i funkcję pauzy, prosta krawędź jest umieszczana od punktu widzenia lekarza przez krzyż celownika modelu kątomierza, a pomiary można obserwować w sposób niezwykle podobny do użycia prawdziwego kątomierza.

Metodologia ta ma jednak pewne ograniczenia. Jednym z takich ograniczeń jest to, że niekoniecznie istnieje jedna prawidłowa orientacja tętniaka, gdy ogląda się go we fluoroskopii. Doprowadziło to do wielu prób walidacji po prostu ze względu na różne kąty widzenia. To ograniczenie może być postrzegane jako możliwa korzyść z perspektywy, że dzięki dodatkowej znajomości, która wynika z manipulowania modelem 3D, możliwe jest, że lekarz znajdzie optymalny widok w porównaniu z obecną metodą określania kątów na sali operacyjnej. Innym potencjalnym ograniczeniem tego protokołu jest to, że możliwe jest określenie kąta widzenia w VR, który w rzeczywistości nie byłby możliwy do osiągnięcia przez ramiona C. To ograniczenie byłoby brane pod uwagę i znane lekarzowi w VR, aby można było określić specyfikacje, gdyby stało się to częścią planowania chirurgicznego. Kolejnym ograniczeniem, świadczącym o znaczeniu etapu kontroli jakości, jest to, że w niektórych przypadkach naczynia, które są dystalne od tętniaka, w rzeczywistości nie są tak widoczne w procedurach fluoroskopowych, jak byłyby, gdyby zostały włączone do modelu w VR. Może to zmusić lekarza do zwrócenia uwagi na naczynie, które niekoniecznie będzie przeszkadzać podczas zabiegu w VR, co prowadzi do generowania nieoptymalnego kąta widzenia w VR. W segmentacji możliwa jest segmentacja większości naczyń krwionośnych i obszaru zainteresowania; Interwencjolog może zdecydować się na przełączanie się między modelami statków, aby upewnić się, że w ich kącie widzenia nie będzie dodatkowych statków, zastosowanie kontraktu również minimalizuje to ryzyko.

Opracowanie kątomierza modelu 3D i protokołu, który może zapewnić pomiary kątów w wielu osiach w VR, ma ogromne znaczenie i obiecuje szeroki wachlarz potencjalnych zastosowań. Korzyści mogą okazać się wieloaspektowe, potencjalnie wzmacniając różne branże, od architektury i inżynierii po produkcję i zastosowania wojskowe. Jednak, jak wykazano w tym protokole, jego prawdziwy potencjał tkwi w sferze opieki zdrowotnej, bezpośrednio w częściach planowania chirurgicznego opieki nad pacjentem. Chirurdzy mogą wykorzystać to narzędzie do skrupulatnej oceny i planowania wszystkich rodzajów zabiegów, dzięki możliwości wizualizacji i pomiaru kątów bezpośrednio w VR. Technika ta jest podobna do pracy wykonywanej w przypadku cewnikowania serca¹⁹. Jedną z bezpośrednich korzyści płynących ze znajomości poszczególnych kątów przed zabiegiem jest znaczne zmniejszenie potrzeby pełnego obrotu o 360 stopni podczas fluoroskopii, powszechnie stosowanej techniki obrazowania podczas naprawy tętniaka. Określając kąty wymagane do naśladowania wirtualnej chirurgicznej mapy drogowej, chirurdzy mogą dokładniej ustawić sprzęt, minimalizując w ten sposób narażenie pacjenta na promieniowanie. Przyczynia się to nie tylko do bezpieczeństwa pacjenta poprzez zminimalizowanie ryzyka związanego z narażeniem na promieniowanie, ale także usprawnia procedurę chirurgiczną. Dzięki skróceniu czasu poświęcanego na korekty fluoroskopii, zespoły chirurgiczne mogą działać bardziej wydajnie, co ostatecznie prowadzi do skrócenia czasu zabiegu.

Najnowsze postępy w modelowaniu 3D i technologii rzeczywistości wirtualnej pozwalają personelowi medycznemu uniknąć improwizacyjnego myślenia podczas operacji poprzez uzyskanie głębokiego zrozumienia wewnętrznej anatomii pacjenta przed operacją we wszystkich przypadkach z wyjątkiem najpilniejszych 1,2,3,4,6,9,11,13,16 . Jeśli pozwala na to czas, personel medyczny powinien wykorzystać segmentację obrazów medycznych i diagnostykę VR, aby lepiej zrozumieć przypadek przed umieszczeniem pacjenta na stole operacyjnym. Ostatecznie doprowadzi to do lepszego zrozumienia każdego pacjenta, a także do skrócenia czasu operacji i czasu pod narkozą.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Krajalnica 3D		Nie dotyczy	Oprogramowanie do segmentacji typu open source
Blender		Nie dotyczy	Oprogramowanie CAD typu open source, które może importować i edytować modele organiczne utworzone za pomocą segmentacji
Enduvo	Enduvo	Nie dotyczy	Autorska przeglądarka VR stworzona z myślą o edukacji i nasza wybrana przeglądarka VR
McKesson PACS zmienia rozwiązanie radiologiczne dla służby zdrowia	McKesson	Nie dotyczy	Każdy system archiwizacji zdjęć i komunikacji powinien być wystarczający, McKessen jest po prostu naszym ulubionym oprogramowaniem PACS.
Naśladownictwo	Materializacja	Nie dotyczy	Oprogramowanie do segmentacji
Zadanie	Oculus	Nie dotyczy	Gogle do wirtualnej rzeczywistości
Steam VR	Para wodna	Nie dotyczy	Oprogramowanie do łączenia komputera z zestawem słuchawkowym.
Komputer obsługujący VR			Zobacz Steam VR, aby zapoznać się z minimalnymi wymaganiami.
Przeglądarka VR-STL	GitHub	Nie dotyczy	Przeglądarka VR o otwartym kodzie źródłowym z możliwością importowania i przeglądania plików .stl i  mogą być używane, jednak nie możemy zagwarantować, że wszystkie funkcjonalności wymienione w tym dokumencie będą dostępne