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Medicine

在乳腺癌相关淋巴水肿预测和诊断中集成增强现实工具

doi: 10.3791/60093 Published: February 6, 2020

Summary

乳腺癌相关淋巴水肿在乳腺癌幸存者中是经常发生的,但是没有广泛使用的诊断和定量指南。在这里,我们引入了一个可靠且经济高效的协议,用于定义、量化和比较乳腺癌患者的上肢体积。

Abstract

乳腺癌相关淋巴水肿 (BCRL) 是一种有害疾病,其特征是接受乳房手术和/或放射治疗的乳腺癌患者上肢积液。其病因是多因素的,还包括肿瘤特异性病理特征,如淋巴血管入侵(LVI)和外延(ENE)。迄今为止,还没有广泛使用的BCRL早期诊断指南。在这里,我们演示了使用 3D 激光扫描仪 (3DLS) 和平板电脑进行数字辅助 BCRL 评估的协议。它在高危乳腺癌患者的发现人群中进行了特别优化。这项研究提供了一个原理证明,增强现实工具,如3DLS,可以纳入BCRL的临床工作,以便进行精确、可重复、可靠和廉价的诊断。

Introduction

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乳腺癌相关淋巴水肿(BCRL)是在大约20-80%的淋巴结转移(N>1)1,2,3的乳腺癌患者中,在进行下肢手术和/或放射治疗后,在上肢的液体保留。这种情况导致肢体肿胀,随后功能下降,合并症的风险增加,沮丧,焦虑和抑郁症4,5。BCRL目前被认为是乳腺癌幸存者的长期威胁,因为它可以在手术后9年出现。

BCRL发病机制是乳腺癌专家激烈辩论的一个话题。因此,一些研究表明,它不仅可能与系统干预有关,而且与全身治疗有关,如基于分类的化疗和抗HER2疗法7,8。此外,最近有一系列证据表明,肿瘤特有的病理特征涉及其发病机制1,6,7。因此,建议肿瘤细胞(淋巴血管入侵,LVI)侵入肿瘤边缘的淋巴血管空间,以及淋巴结胶囊(外节点延伸,ENE)外转移的入侵,作为BCRL风险分层6、7的补充分析。

尽管BCRL生物学有新见地,手臂体积测量仍然是这些患者诊断和随访的基石然而,对于这项任务,没有广泛采用的准则。使用截断的圆锥公式10来估计手臂内多个圆周的总体积。然而,尽管这种圆周法(CM)的可靠性缺乏灵敏度和可重复性,特别是在手臂形状不规则的情况下。最近,增强现实方法,如三维激光扫描仪(3DLS),已成为测量上肢体积12的有前途的工具。这项技术是廉价,用户友好,可重复,和极其精确,也存在胡言乱语和膨胀12,13。

本研究的目的是与BCRL诊断和定量的圆周法相比,评估3DLS的可靠性。在这里,在乳腺癌患者中,通过3DLS对上肢体积进行实时测量,其方案是详细的,因为BCRL的风险会增加。

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Protocol

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这项研究得到了作者机构机构审查委员会的批准。该协议适用于节点阳性(即,根据TNM分期系统为N>1)14种乳腺癌,显示LVI和/或ENE。

1. 实时臂测量

  1. 在平板电脑上安装可下载的免费应用程序(例如 Captevia)。
  2. 与患者皮肤(例如白色、黑色)相比,取高对比度颜色的标记。
    1. 使用从手腕到肘部以及从肘部到手臂近部 5 厘米的点地标标记要分析的上肢皮肤。绘制上肢皮肤上的周长,以在每个地标的水平上进行分析。
  3. 将患者直立放置在有足够的空间在他或她周围移动的房间里。将患者的上肢前半部分提高90°。要求患者在所有扫描持续时间内保持此位置。
    注:如果患者难以保持此位置,可以使用手部支架(例如,一根棍子)。
  4. 将 3DLS 设备与平板电脑挂钩并链接。
  5. 从平板电脑打开应用程序,并在患者数据库中输入要检查的主题的凭据。
    1. 单击"连接",然后单击+以输入新患者。在专用空间中输入患者的姓名和其他预设的 aninnest 变量(如出生日期、身高、体重等)和其他所需参数。
  6. 单击3D图标。通过使用触摸屏上的 2 个手指调节屏幕上显示的立方体的距离和大小,选择要检查的区域
  7. 单击"扫描",然后开始三维扫描,在空间的所有平面上构建患者上肢。从所有视图多次旋转肢体,以优化获取的图像质量。
    注:良好的采集平均需要 30 秒的时间。不要偏离距离要检查的肢体超过一米。请勿过快地移动平板电脑。
  8. 收购完成后,按"完成"。如果需要,请修改表格以评估任何购置缺陷或缺失部件。
  9. 选择采集,然后按屏幕右下角的图标发送文件。输入要将文件发送到的电子邮件,然后单击"发送"。
  10. 启动电脑并下载通过电子邮件发送的数据文件。然后插入带有软件许可证的 USB 密钥,双击软件图标,确认所选许可证类型,然后打开数据文件。
  11. 查看扫描并按"创建新患者"。为患者的文件命名,选择要保存文件的目标,然后按"保存"。
  12. 选择左上角的文件。选择患者以前命名的文件。
  13. 选择扫描并按"提取"以提取扫描。选择提取的扫描并按"清洁"。
  14. 选择图像。通过在空格(x、y 和 z 轴)中定向形状来清洁形状。切断扫描中各个轴(x、y 和 z)中包含的任何线段。还可以查看扫描中包含的任何皮肤痕迹,以更精确地剪切扫描。验证切割图。
  15. 命名从扫描中获得的形状。按创建新形状
  16. 将形状轴定向到空间的 3 个平面上,然后按End
  17. 选择已处理的表单,然后按"打开:软件将提供已处理表单的总容量"。
  18. 计算不同部分的体积,按体积。移动并选择用于提取卷的截面的上边缘和下边距。

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Representative Results

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这是一个试点的单盲,随机对照研究,涉及成人个人。纳入标准如下:1) 年龄 >18 岁和 <45 岁的年轻人;2)正常体重(体重指数,BMI,>18和<25 kg/m2);3) 上肢无任何类型的皮肤病变;4) 没有创伤和/或任何能够修改手臂结构和体积的条件。排除标准:1)心血管合并;2)涉及上肢的血管疾病;3)甲状腺和肾水平的病理状况;4)淋巴水肿的存在;5) 先前或活跃的肿瘤条件。此外,另外一组受BCRL(第二阶段-III阶段)影响的妇女已登记在诺瓦拉大学医院物理和康复医学部的肿瘤康复科进行初步分析。参与者被适当告知研究的目的、测试程序、个人数据处理以及随时退出的可能性。在参加实验之前,从每个受试者那里获得了书面的知情同意,所有程序都按照《赫尔辛基宣言》的原则进行。研究流程图如图1所示。

30名健康成年人(14名男性和16名女性, 平均年龄27.6~9.8岁,平均体重指数(BMI)为22.7~2.9公斤/m2(A组)和30名乳腺癌女性患者(平均年龄57.9~13.8岁),平均体重指数为26.6~4.6公斤/m2,后者后来发展为BCRL(B组),于2017年6月至2018年1月登记。研究人口的人口特征列于表1。注册后,所有患者由两名在淋巴水肿紊乱治疗方面拥有超过20年经验的林磷治疗师之一随机评估,他们进行了所有实验。使用 CM 和 LS3D 方法执行臂体积测量(图 2)。每个检查人员执行 CM 和 LS3D 上肢测量两次,每个受试者共进行四次测量(使用了两个 CM 和 LS3D 评估的平均值)。

在 A 组和 B 组中,CM 和 3DLS 均表现出较高的操作员间和操作器内可重复性,两种技术的平均 r2为 0.99(表 2,表 3)。因此,3DLS 体积计算的平均值与 A 组中的 CM 值(r2 = 0.99;p < 0.0001)有很强的相关性,如图3a所示,由 Bland-Altman 图确认,显示两种不同测量值的高度一致度和一致性(图 3b)。在 B 组中,该方法显示了与 CM 的强运算符间和操作器内相关性(r2 = 0.99;p < 0.0001)。此外,尽管观察到在BCRL妇女中,在复杂解念治疗之前和之后,操作者之间对总肢体体积差异的评估之间存在显著(p < 0.001)相关性,但有趣的是报告3DLS相关性高于CM(r2 = 0.85 vsr 2 = 0.62)(详情见3c)。最后,3DLS 明显快于 CM,总时间为 202 ± 27 s(包括采集和数字处理),而 293 = 17 s(p < 0.0001)。在整个研究期间,两组均未记录CM或3DLS技术相关的辍学,在4点Likert尺度上评级的3DLS技术中,全球感知效应(GPE)15显示出非常好的结果:操作者4.5分,患者4.6分。

健康成人 (n=30) BCRL 妇女 (n=30)
年龄(年) 27.6 × 9.8 57.9 × 13.8
体重指数 (公斤/米2 22.7 × 2.9 26.6 × 4.6
性别(女性/男性) 16/14 30/0
身体活动水平 (n, %)*
没有 6 (20.0) 7 (23.3)
a 10 (3.3) 16 (53.3)
中等b 9 (30.0) 5 (16.7)
c 5 (16.7) 2 (6.7)
手术(四肢切除术/乳房切除术) 0/0 17/13
连续变量表示为均值 = 标准偏差,分类变量表示计数(百分比),比率表示为 x/y。BMI = 身体质量指数。
*:根据世界卫生组织。健康体育活动全球建议。日内瓦,世界卫生组织,2010年;a:150分钟的中等强度(或<75分钟高强度)有氧体育活动,或中强度和高强度活动的等效组合;b:150-300分钟的中等强度(或75-150分钟强强度)有氧体育活动,或中等强度和高强度活动的等效组合;c: >300 分钟的中等强度(或 >150 分钟高强度)有氧体育活动,或中等强度和高强度活动的等效组合。

表1:研究人口的阿南内斯特人和人口特征。

健康成人 (n=30)
操作员内部分析 操作员间分析
操作员 A 操作员 B 操作员 A 操作员 B
1第一个度量 第 2度量 r2 1第一个度量 第 2度量 r2 意味 着 意味 着 r2
V1 (dm3 0.14 ± 0.05 0.14 ± 0.05 0.99 0.14 ± 0.05 0.14 ± 0.05 0.99 0.14 ± 0.05 0.14 ± 0.05 0.99
V2 (dm3 0.15 ± 0.04 0.14 × 0.04 0.98 0.15 ± 0.04 0.15 ± 0.04 0.99 0.15 ± 0.04 0.15 ± 0.04 0.99
V3 (dm3 0.21 ± 0.05 0.21 ± 0.05 0.99 0.21 ± 0.05 0.21 ± 0.05 0.99 0.21 ± 0.05 0.21 ± 0.05 0.99
V4 (dm3 0.26 × 0.06 0.26 × 0.06 0.99 0.26 × 0.06 0.26 × 0.06 0.99 0.26 × 0.06 0.26 × 0.06 0.99
V5 (dm3 0.27 × 0.06 0.27 × 0.06 0.99 0.27 × 0.05 0.27 × 0.05 0.99 0.27 × 0.06 0.27 × 0.05 0.99
V6 (dm3 0.27 × 0.06 0.27 × 0.06 0.99 0.27 × 0.06 0.27 × 0.06 0.99 0.27 × 0.06 0.27 × 0.06 0.99
V7 (dm3 0.30 ± 0.09 0.30 ± 0.09 0.99 0.30 ± 0.09 0.30 ± 0.09 0.99 0.30 ± 0.09 0.30 ± 0.09 0.99
V8 (dm3 0.35 ± 0.11 0.35 ± 0.11 0.99 0.35 ± 0.11 0.35 ± 0.11 0.99 0.35 ± 0.11 0.35 ± 0.11 0.99
V 前臂 (dm3 1.04 ± 0.24 1.04 ± 0.24 0.99 1.04 ± 0.24 1.04 ± 0.24 0.99 1.04 ± 0.24 1.04 ± 0.24 0.99
V 臂 (dm3 0.92 × 0.26 0.92 × 0.26 0.99 0.92 × 0.26 0.92 × 0.26 0.99 0.92 × 0.26 0.92 × 0.26 0.99
V 托特 (dm3 1.96 × 0.47 1.96 × 0.47 0.99 1.96 × 0.47 1.96 × 0.47 0.99 1.96 × 0.47 1.96 × 0.47 0.99
BCRL 妇女 (n=30)
操作员内部分析 操作员间分析
操作员 A 操作员 B 操作员 A 操作员 B
1第一个度量 第 2度量 r2 1第一个度量 第 2度量 r2 意味 着 意味 着 r2
V1 (dm3 0.14 ± 0.05 0.14 ± 0.05 0.99 0.14 ± 0.05 0.14 ± 0.05 0.99 0.14 ± 0.05 0.14 ± 0.05 0.98
V2 (dm3 0.20 ± 0.08 0.20 ± 0.08 0.99 0.20 ± 0.08 0.20 ± 0.08 0.99 0.20 ± 0.08 0.20 ± 0.08 0.99
V3 (dm3 0.27 ± 0.10 0.27 ± 0.10 0.99 0.27 ± 0.10 0.27 ± 0.10 0.99 0.27 ± 0.10 0.27 ± 0.10 0.99
V4 (dm3 0.34 ± 0.10 0.34 ± 0.10 0.99 0.34 ± 0.10 0.34 ± 0.10 0.99 0.34 ± 0.10 0.34 ± 0.10 0.99
V5 (dm3 0.36 ± 0.10 0.36 ± 0.10 0.99 0.36 ± 0.10 0.36 ± 0.10 0.99 0.36 ± 0.10 0.36 ± 0.10 0.99
V6 (dm3 0.38 ± 0.11 0.38 ± 0.11 0.99 0.38 ± 0.11 0.38 ± 0.11 0.99 0.38 ± 0.11 0.38 ± 0.11 0.98
V7 (dm3 0.44 × 0.12 0.44 × 0.12 0.99 0.44 × 0.12 0.44 × 0.12 0.99 0.44 × 0.12 0.44 × 0.12 0.99
V8 (dm3 0.48 ± 0.15 0.48 ± 0.15 0.99 0.48 × 0.16 0.48 × 0.16 0.99 0.48 × 0.16 0.48 × 0.16 0.99
V 前臂 (dm3 1.30 ± 0.41 1.30 ± 0.41 0.99 1.31 ± 0.41 1.31 ± 0.41 0.99 1.31 ± 0.41 1.31 ± 0.41 0.99
V 臂 (dm3 1.29 ± 0.38 1.29 ± 0.38 0.99 1.30 ± 0.38 1.30 ± 0.38 0.99 1.30 ± 0.38 1.30 ± 0.38 0.99
V 托特 (dm3 2.60 ± 0.77 2.60 ± 0.77 0.99 2.61 × 0.76 2.61 × 0.76 0.99 2.61 × 0.76 2.61 × 0.76 0.99
数据以均值 = 标准差表示。缩写:CM:圆周法;BCRL:乳腺癌相关淋巴水肿;r2: 皮尔逊的 r2;V:音量。

表2:健康成人和BCRL妇女圆周法的内和操作者间分析。

健康成人 (n=30)
操作员内部分析 操作员间分析
操作员 A 操作员 B 操作员 A 操作员 B
1第一个度量 第 2度量 r2 1第一个度量 第 2度量 r2 意味 着 意味 着 r2
V1 (dm3 0.13 ± 0.05 0.13 ± 0.05 0.99 0.14 × 0.06 0.14 × 0.06 0.99 0.13 ± 0.05 0.14 × 0.06 0.99
V2 (dm3 0.16 × 0.04 0.16 × 0.04 0.99 0.16 × 0.04 0.16 × 0.05 0.99 0.16 × 0.04 0.16 × 0.04 0.99
V3 (dm3 0.21 ± 0.05 0.20 ± 0.05 0.99 0.21 ± 0.06 0.22 × 0.06 0.99 0.21 ± 0.05 0.21 ± 0.06 0.99
V4 (dm3 0.25 ± 0.06 0.25 ± 0.06 0.99 0.25 ± 0.06 0.25 ± 0.06 0.99 0.25 ± 0.06 0.25 ± 0.06 0.99
V5 (dm3 0.26 × 0.05 0.26 × 0.05 0.99 0.26 × 0.06 0.26 × 0.06 0.99 0.26 × 0.05 0.26 × 0.06 0.99
V6 (dm3 0.27 × 0.07 0.27 × 0.07 0.99 0.27 × 0.07 0.27 × 0.07 0.99 0.27 × 0.07 0.27 × 0.07 0.99
V7 (dm3 0.30 ± 0.09 0.30 ± 0.09 0.99 0.30 ± 0.09 0.31 ± 0.09 0.99 0.30 ± 0.09 0.30 ± 0.09 0.99
V8 (dm3 0.33 ± 0.10 0.32 ± 0.10 0.99 0.33 ± 0.10 0.33 ± 0.10 0.99 0.33 ± 0.10 0.33 ± 0.10 0.99
V 前臂 (dm3 1.02 ± 0.25 1.02 ± 0.25 0.99 1.02 ± 0.25 1.02 ± 0.25 0.99 1.02 ± 0.25 1.02 ± 0.25 0.99
V 臂 (dm3 0.89 × 0.26 0.89 × 0.26 0.99 0.90 ± 0.26 0.90 ± 0.26 0.99 0.89 × 0.26 0.90 ± 0.26 0.99
V 托特 (dm3 1.91 ± 0.48 1.91 ± 0.48 0.99 1.91 ± 0.49 1.91 ± 0.49 0.99 1.91 ± 0.48 1.91 ± 0.49 0.99
BCRL 妇女 (n=30)
操作员内部分析 操作员间分析
操作员 A 操作员 B 操作员 A 操作员 B
1第一个度量 第 2度量 r2 1第一个度量 第 2度量 r2 意味 着 意味 着 r2
V1 (dm3 0.08 × 0.06 0.08 × 0.06 0.99 0.08 × 0.06 0.08 × 0.06 0.99 0.08 × 0.06 0.08 × 0.06 0.99
V2 (dm3 0.20 ± 0.09 0.20 ± 0.09 0.99 0.20 ± 0.09 0.20 ± 0.09 0.99 0.20 ± 0.09 0.20 ± 0.09 0.99
V3 (dm3 0.28 ± 0.10 0.28 ± 0.10 0.99 0.28 ± 0.10 0.28 ± 0.10 0.99 0.28 ± 0.10 0.28 ± 0.10 0.99
V4 (dm3 0.34 ± 0.11 0.34 ± 0.11 0.99 0.34 ± 0.11 0.34 ± 0.11 0.99 0.34 ± 0.11 0.34 ± 0.11 0.99
V5 (dm3 0.35 ± 0.10 0.35 ± 0.10 0.99 0.35 ± 0.10 0.35 ± 0.10 0.99 0.35 ± 0.10 0.35 ± 0.10 0.99
V6 (dm3 0.37 × 0.11 0.37 × 0.11 0.99 0.37 × 0.11 0.37 × 0.11 0.99 0.37 × 0.11 0.37 × 0.11 0.98
V7 (dm3 0.43 × 0.12 0.43 × 0.12 0.99 0.43 × 0.12 0.43 × 0.12 0.99 0.43 × 0.12 0.43 × 0.12 0.99
V8 (dm3 0.46 × 0.15 0.46 × 0.15 0.99 0.46 × 0.15 0.46 × 0.15 0.99 0.46 × 0.15 0.46 × 0.15 0.99
V 前臂 (dm3 1.31 ± 0.45 1.31 ± 0.45 0.99 1.32 ± 0.45 1.32 ± 0.45 0.99 1.32 ± 0.45 1.32 ± 0.45 0.99
V 臂 (dm3 1.26 ± 0.37 1.26 ± 0.37 0.99 1.27 ± 0.37 1.27 ± 0.37 0.99 1.27 ± 0.37 1.27 ± 0.37 0.99
V 托特 (dm3 2.58 ± 0.79 2.58 ± 0.79 0.99 2.59 × 0.79 2.59 × 0.79 0.99 2.59 × 0.79 2.59 × 0.79 0.99
数据以均值 = 标准差表示。缩写:LS3D三维激光扫描;BCRL:乳腺癌相关淋巴水肿;r2: 皮尔逊的 r2;V:音量。

表3:健康成人和BCRL女性激光扫描3D的内操作和操作者分析。

Figure 1
图1:研究流程图。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:BCRL中上肢的三维激光扫描。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:激光扫描三维法与圆周法的比较分析。a) 激光扫描三维与圆周方法的相关性;(b) 布兰德-奥尔特曼图,显示协议水平和不同测量的一致性;(c) 在乳腺癌相关淋巴水肿患者的康复治疗前后,在康复治疗和激光扫描3D方面,在患者间的手术者分析共肢体积差异的相关性。请点击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

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在乳腺癌幸存者中,使用准确可靠的肢体体积测量工具是强制性的,因为BCRL的早期诊断与改善结果有关。此外,高危个体的鉴定不仅要考虑临床和手术数据,还要考虑肿瘤特有的病理特征。本研究证明了新型便携式3DLS设备在健康受试者和具有高风险特征的BCRL女性上肢体积测量中的可重复性和可靠性。这种方法安全、无痛、经济高效,可在大多数机构中在大多数患者群体中实施。

3D 扫描仪的目的是在主体表面创建几何形状的点云,该点表示 3D 模型。特别是,3DLS 技术采用三角测量机制,将激光点投影到物体中(在本例中为上肢),然后传感器测量到物体表面的距离。这种基于实际的标准化增强型协议表明,3DLS 是一种很有前途的快速体积测量技术,不仅在卫生环境中。考虑到该装置的相对快速性、准确性和可重复性,在健康受试者和BCRL患者中获得的结果都耐人寻味。该协议的主要关键点之一与 3DLS 采集过程有关,这可能导致上肢体积定量不完整/不正确或错误。为了克服这种不便,建议在有足够可用空间的房间里进行采集,并要求患者保持不动,上肢前肢前抬高90°,以避免体积检测不准确。此外,为了获得更好的批量采集并优化采集的图像质量,建议多次从所有视图旋转 3DLS 围绕肢体。只有在获取上肢的整个体积图像且平均采集时间约为 30 s 时,采集才应结束。然而,尽管这些潜在的缺点与采集程序有关,这些关于体积测量尝试失败的数据表明,3DLS结构传感器的学习曲线相对较快,至少与CM相当。 综上所述,所有这些观点都表明,对于在不同实际临床环境中(即门诊或家庭护理)实施便携式3DLS技术,以及可能降低人员和程序成本的健康卫生费用具有重要意义。因此,在诊断和治疗环境中实施结构传感器可能对淋巴水肿管理和康复有重大的临床意义,从而确认增强现实技术在BCRL临床工作中的资本作用,需要可靠的筛查、诊断和后续工具来实现精密医学的目标。但是,需要注意的是,该协议仅对 BCRL 患者的选定组进行 BCRL 工作提供了重大改进,尤其是在初始评估的设置中。因此,许多淋巴水肿患者不幸到达一个治疗中心,其肿胀程度显著,而且往往伴有肥胖等合并症。此外,还必须注意,3D 扫描始终在 CM 之后执行。采集时间的差异可能反映了学习曲线。本研究的另一个局限性是对照组的随机化,该对照组没有与患者年龄相匹配。另一方面,这项试验性研究应被视为一项原则证明。

总之,在N>1乳腺癌患者中使用增强现实工具的范式转变,加上基于肿瘤的风险分层,将标志着在BCRL临床管理中向精密医学迈进了一步。

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Disclosures

没有。

Acknowledgments

没有。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Structure sensor + Captevia V3.1 Rodin4D, Rodin SAS Three dimensional laser scanner

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References

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在乳腺癌相关淋巴水肿预测和诊断中集成增强现实工具
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Invernizzi, M., Runza, L., De Sire, A., Lippi, L., Blundo, C., Gambini, D., Boldorini, R., Ferrero, S., Fusco, N. Integrating Augmented Reality Tools in Breast Cancer Related Lymphedema Prognostication and Diagnosis. J. Vis. Exp. (156), e60093, doi:10.3791/60093 (2020).More

Invernizzi, M., Runza, L., De Sire, A., Lippi, L., Blundo, C., Gambini, D., Boldorini, R., Ferrero, S., Fusco, N. Integrating Augmented Reality Tools in Breast Cancer Related Lymphedema Prognostication and Diagnosis. J. Vis. Exp. (156), e60093, doi:10.3791/60093 (2020).

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