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 można wygenerować wirtualne mapy drogowe operacji dla projekcji fluoroskopowej przednio-tylnej (AP) oraz bocznej. Mapy te są tworzone poprzez umieszczenie kamery w punkcie widzenia chirurga w VR w celu uchwycenia optymalnych widoków AP i bocznych, przy jednoczesnym umieszczeniu kolorowego tła za docelową anatomią, aby lepiej odwzorować obraz fluoroskopowy. Na tym etapie wykorzystuje się kątomierz VR do zapisania kąta, pod którym chirurg obserwuje docelową anatomię, rejestrowanego jako prawy lub lewy skośny przedni (RAO/LAO – odpowiednio przesunięcie kamery w prawo lub w lewo względem pacjenta) oraz kranialny lub kaudalny przedni (CRA/CAA – odpowiednio przesunięcie kamery w stronę głowy lub stóp pacjenta)¹⁵. Podczas opracowywania tego procesu wykorzystano przypadki retrospektywne, aby umożliwić porównanie kątów mierzonych w VR z rzeczywistymi kątami stosowanymi w chirurgii przy użyciu ramion C. Do procesu tego wybrano trzy różne przypadki retrospektywne, z których każdy był leczony przy użyciu innego urządzenia chirurgicznego. Różnorodność tych trzech przypadków wykazuje uniwersalność przedstawionego protokołu. Chirurga poproszono o wskazanie preferowanych kątów AP i bocznych bez odnoszenia się do kątów ramienia C użytych podczas zabiegu, a następnie pomiary VR porównano z tymi istniejącymi pozycjami ramienia C.

W przypadku 1 zadeklarowany preferowany kąt projekcji AP zmierzono w VR jako 16° CRA, 12° RAO. Rzeczywiste pomiary zastosowane podczas operacji w tym przypadku wynosiły 11° CRA i 13° RAO. Maksymalny błąd wśród tych pomiarów wynosi 5° na osi kranio-kaudalnej. Rycina 2A przedstawia zadeklarowany przez chirurga widok AP w rzeczywistości wirtualnej, następnie Rycina 2B pokazuje rzeczywisty kąt zastosowany w operacji widziany w VR, a Rycina 2C przedstawia obraz z fluoroskopii chirurgicznej. Porównanie tych trzech obrazów wykazuje, że obrazy VR są niezwykle podobne do rzeczywistego obrazu fluoroskopowego przy tym samym kącie.

Widok boczny w tym samym przypadku ukazał jedno z wielu wyzwań tego procesu, wynikające z niewłaściwej weryfikacji modelu 3D. Przez ten błędny przegląd wysegmentowano niektóre zbędne naczynia, które zdaniem chirurga ograniczały widoczność tętniaka w VR, nie są połączone z docelową anatomią i w związku z tym nie są dokładnie odwzorowane w VR. Rozbieżności te były wynikiem błędnej komunikacji dotyczącej wymaganej anatomii docelowej podczas sesji kontroli jakości z lekarzem. Rozbieżności te widoczne są na Rysunku 2D-F, który przedstawia kolejno od lewej do prawej: zadeklarowany przez chirurga widok boczny, reprezentację VR opartą na kątach fluoroskopii chirurgicznej oraz rzeczywiste obrazy fluoroskopowe. Z wyjątkiem zbędnych naczyń, zadeklarowany przez chirurga widok AP ściśle przypomina rzeczywisty obraz fluoroskopowy, mimo że pomiary w płaszczyźnie czołowej i osiowej różniły się odpowiednio o 6° i 26°. Rekonstrukcja rzeczywistych pomiarów w VR, pokazana na Rysunku 2E, przedstawia również widok podobny do rzeczywistej fluoroskopii ukazanej po prawej stronie Rysunku 2F, przy czym główną rozbieżnością są anomalne dodatkowe naczynia. W tym przypadku zastosowano mniej niezawodną ręczną lokalizację narzędzia kątomierza, co może tłumaczyć niewielką różnicę w pomiarze. W przyszłych przypadkach stosuje się kątomierz 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 stosowanych w rzeczywistej procedurze. Było to konsekwencją początkowego rozmieszczenia modeli w VR w ramach badania ślepego. Należy zauważyć, że chirurg stwierdził, iż w procedurach fluoroskopowych może istnieć wiele akceptowalnych kątów leczenia i niekoniecznie istnieje jeden prawidłowy kąt. W celu porównania obrazy w VR wykonano pod kątami chirurgicznymi wskazanymi w raporcie. Rysunek 3 przedstawia widok AP w VR na Rysunku 3A oraz chirurgiczny widok AP na Rysunku 3B. Na Rysunku 3 można przeprowadzić podobne porównanie widoków bocznych na Rysunku 3C,D dla przypadku 2. Dla przypadku 3 Rysunek 4 przedstawia porównanie AP na Rysunku 4A,B, a także porównanie boczne na Rysunku 4C,D. Podobieństwa między obrazami VR a fluoroskopią w tych przypadkach dodatkowo demonstrują możliwość wykorzystania VR w planowaniu chirurgicznym.

Istotną zaletą niniejszego protokołu jest usprawnienie planowania chirurgicznego dzięki wykorzystaniu modeli 3D w środowisku VR. Poprzednie badanie nad skutecznością VR w planowaniu operacji w złożonych przypadkach onkologicznych wykazało, że w około 50% przypadków, w których zastosowano VR, zmodyfikowano podejście chirurgiczne w stosunku do planu opracowanego wyłącznie na podstawie zbiorów danych 2D⁹. Wykazano również przydatność VR w procesie planowania chirurgicznego resekcji guzów wątroby^16,17, a także w procedurach dotyczących patologii głowy i szyi¹⁸. Chirurg biorący udział w opracowaniu tego protokołu stwierdził, że: w VR mogę znacznie lepiej widzieć [anatomię], co wskazuje na korzyści z zastosowania VR w endowaskularnych zastosowaniach neurochirurgicznych.

Rysunek 1: Zrzut ekranu z oprogramowania do segmentacji. Zrzut ekranu przedstawia zaznaczoną anatomię na podstawie masek. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Przypadek 1. (A) Widok przednio-tylny Przypadku 1 w VR, ustawiony przez chirurga operującego. (B) Widok przednio-tylny Przypadku 1 w VR na podstawie pomiarów kątów wykonanych podczas operacji. (C) Widok fluoroskopowy przednio-tylny zarejestrowany podczas operacji. (D) Widok boczny Przypadku 1 w VR, ustawiony przez chirurga operującego. (E) Widok boczny Przypadku 1 w VR na podstawie pomiarów kątów wykonanych podczas operacji. (F) Widok fluoroskopowy boczny zarejestrowany podczas operacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Przypadek 2. (A) Widok przednio-tylny przypadku 2 w VR na podstawie pomiarów kątowych wykonanych podczas operacji. (B) Widok z fluoroskopii w projekcji przednio-tylnej przypadku 2 zarejestrowany podczas operacji. (C) Widok boczny przypadku 2 w VR na podstawie pomiarów kątowych wykonanych podczas operacji. (D) Widok z fluoroskopii w projekcji bocznej przypadku 2 zarejestrowany podczas operacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 4: Przypadek 3. (A) Widok przednio-tylny Przypadku 3 w VR na podstawie pomiarów kątowych wykonanych podczas operacji. (B) Widok fluoroskopowy przednio-tylny Przypadku 3 zarejestrowany podczas operacji. (C) Widok boczny Przypadku 3 w VR na podstawie pomiarów kątowych wykonanych podczas operacji. (D) Widok fluoroskopowy boczny Przypadku 3 zarejestrowany podczas operacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Plik uzupełniający 1: Opracowano i wykorzystano w protokole model 3D kątomierzy w formacie plików STL. Aby pobrać ten plik, kliknij tutaj.

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