JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Ergebnisse
Discussion
Offenlegungen
Acknowledgements
Materials
Referenzen
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medizin

Baanbrekende patiëntspecifieke benaderingen voor precisiechirurgie met behulp van beeldvorming en virtual reality

Published: April 05, 2024
doi:
10.3791/66227
, , , ,
1Jump Simulation and Education Center,OSF HealthCare, 2Department of Neurointerventional Surgery and Vascular Neurology,OSF HealthCare, 3Department of Pediatric Cardiology, College of Medicine,University of Illinois, Peoria

Summary

Vooruitgang in endovasculaire behandeling heeft complexe open chirurgische ingrepen vervangen door minimaal invasieve opties, zoals klepvervanging en aneurysmaherstel. Dit artikel stelt voor om driedimensionale (3D) modellering en virtual reality te gebruiken om te helpen bij het positioneren van de C-boog, hoekmetingen en het genereren van een routekaart voor procedurele planning van neuro-interventionele katheterisatielaboratoria, waardoor de proceduretijd wordt geminimaliseerd.

Abstract

Endovasculaire behandeling van complexe vasculaire anomalieën verschuift het risico van open chirurgische ingrepen naar het voordeel van minimaal invasieve endovasculaire procedurele oplossingen. Complexe open chirurgische ingrepen waren vroeger de enige optie voor de behandeling van een groot aantal aandoeningen, zoals long- en aortaklepvervanging en herstel van cerebrale aneurysma’s. Als gevolg van de vooruitgang op het gebied van katheter-toegediende apparaten en de expertise van de operator, kunnen deze procedures (samen met vele andere) nu echter worden uitgevoerd door middel van minimaal invasieve procedures die worden toegediend via een centrale of perifere ader of slagader. De beslissing om over te schakelen van een open procedure naar een endovasculaire benadering is gebaseerd op multimodale beeldvorming, vaak met inbegrip van 3D Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) beeldvormingsdatasets. Met behulp van deze 3D-beelden genereert ons laboratorium 3D-modellen van de pathologische anatomie, waardoor de pre-procedurele analyse mogelijk wordt die nodig is om kritieke componenten van de katheterisatielaboratoriumprocedure vooraf te plannen, namelijk positionering van de C-boog, 3D-meting en het genereren van geïdealiseerde wegenkaarten. In dit artikel wordt beschreven hoe u gesegmenteerde 3D-modellen van patiëntspecifieke pathologie kunt nemen en gegeneraliseerde C-boogposities kunt voorspellen, hoe u kritische tweedimensionale (2D) metingen van 3D-structuren kunt meten die relevant zijn voor de 2D-fluoroscopieprojecties, en hoe u 2D-fluoroscopie-roadmap-analogen kunt genereren die kunnen helpen bij de juiste positionering van de C-boog tijdens katheterisatielaboratoriumprocedures.

Introduction

De behandeling van intracraniële aneurysma’s is een uitdagend aspect van neuro-interventionele chirurgie, waarvoor een nauwkeurige chirurgische planning nodig is om optimale resultaten voor de patiënt te garanderen. In de afgelopen jaren is virtual reality (VR)-technologie een veelbelovend hulpmiddel geworden voor het verbeteren van chirurgische planning door chirurgen toegang te geven tot meeslepende, patiëntspecifieke anatomische modellen in een virtuele 3D-omgeving 1,2,3,4,5,6,7,8 . Dit artikel presenteert een uitgebreid protocol voor het gebruik van medische beeldvorming en segmentatie, 3D-modellering, VR-chirurgische planning en het genereren van geïdealiseerde virtuele roadmaps om te helpen bij de chirurgische planning voor de behandeling van aneurysma’s.

De combinatie van deze stappen culmineert in een virtuele chirurgische planningsaanpak, waardoor artsen zich kunnen onderdompelen in een virtuele omgeving en een uitgebreid inzicht krijgen in de unieke anatomie van een patiënt voorafgaand aan een chirurgische ingreep. Deze meeslepende aanpak stelt chirurgen in staat om de optimale positionering te verkennen en verschillende procedurele scenario’s te simuleren. Het vastleggen van deze scenario’s kan inzicht geven in de plaatsing van chirurgische apparatuur in de echte wereld, zoals positionering van de C-boog.

Naast positioneringshoeken is het ook mogelijk om anatomie in een virtuele omgeving te meten met behulp van meetinstrumenten die zijn ontworpen voor 3D-ruimte. Deze metingen kunnen inzicht geven in de juiste maatvoering en vorm van het te gebruiken apparaat in een intracranieel aneurysmageval9.

Dit protocol presenteert een uitgebreid proces dat medische beeldvorming, beeldsegmentatie, VR-modelvoorbereiding en het genereren van virtuele chirurgische roadmaps naadloos combineert om het chirurgische planningsproces te verbeteren. Door gebruik te maken van een combinatie van geavanceerde technologieën biedt dit protocol mogelijkheden om kostbare tijd te besparen in de operatiekamer10, evenals een boost voor het vertrouwen van de chirurg en het begrip van complexe chirurgische gevallen 11,12,13.

Protocol

Geanonimiseerde menselijke DICOM’s of DICOM’s voor patiëntenzorg worden gebruikt in overeenstemming met institutionele richtlijnen voor patiëntenzorg, de Health Insurance Portability and Accountability Act van 1996 (HIPAA) en samenwerking met de Institutional Review Board (IRB) indien van toepassing. 1. Segment patient-specifieke anatomie Acquisitie van medische scansBegin het segmentatieproces met een arts of chirurg die medische scans bestelt. Deze scans maken deel uit van het standaard patiëntenzorgprotocol en introduceren geen extra procedures. Als de arts weet dat hij om segmentatie zal vragen, zorg er dan voor dat hij vraagt om dun gesneden datasets te exporteren van de MRI- of CT-scanner. In de meeste gevallen zijn deze dunne plakjes minder dan 1 mm dik; Deze resolutie kan echter per scanner verschillen. Maak CTA-scans met contrast om een goede segmentatie van vasculatuur en bloedpoelen te garanderen.Voor gegevensverzameling verkrijgt u een MRI 3D-sequentie met de volgende voorgestelde parameters: voer in axiaal uit, zorg voor plakdikte en ruimte tussen plakjes van 0,625 mm of kleiner, nul tussenruimte. Koop de CT 3D-serie met de volgende voorgestelde parameters: plakscanner in spiraalvormige modus, plakdikte en ruimte tussen plakjes van 0.625 mm, bijv. Neuro: Kvp van 120, Smart mA-bereik van 100-740, rotatiesnelheid van 5 ms of Cardiac: Kvp van 70, Smart mA-bereik van 201-227 (slimme MA-modus 226), rotatiesnelheid van 0.28 ms14. Volg de spiraalvormige parameters van de instelling voor elk lichaamsdeel.OPMERKING: De 3D-sequentie moet zo worden verkregen dat er in de reconstructie een bijna isotrope resolutie is in de axiale, coronale en sagittale vlakken. In de meeste gevallen moeten de dunste plakjes worden verkregen. De 3D-sequentie wordt uitgevoerd naast het standaardprotocol van de instelling voor beeldvorming. Het wordt echter tegelijkertijd uitgevoerd, dus er is minimaal extra werk, blootstelling aan straling en kosten voor het klinische team en de patiënt. Vraag de arts om de segmentatie van het model aan te vragen, waarbij u specificeert welke anatomie centraal zal staan in het segmentatieproces (een arts of chirurg voltooit deze stap meestal). Download scangegevens en sla deze lokaal op.Als er meer dan één scan is uitgevoerd, zorg er dan voor dat DICOM-gegevenssets van de scan worden vergeleken om te bepalen welke scanset de dunste segmentinstelling en het beste contrast heeft, aangezien dit de 3D-modellen met de hoogste resolutie oplevert wanneer deze worden gesegmenteerd. Zodra de beste beeldset is bepaald, downloadt u deze uit de beelddatabase voor segmentatie, anonimiseert u of laat u de gegevens zoals ze zijn met beschermde gezondheidsinformatie (PHI). Dit protocol werkt met een geanonimiseerde DICOM. Importeer de DICOM-gegevensset in de segmentatiesoftware.OPMERKING: In de volgende instructieset worden termen gebruikt die specifiek zijn voor de segmentatiesoftware van Materialise Mimics. Hoewel de Materialise Suite op abonnementen gebaseerde software is, zijn er open-source alternatieven zoals 3DSlicer. Namen en terminologie van hulpprogramma’s kunnen verschillen tussen andere segmentatietools. Maak een ruw masker van de doelanatomie, zoals bot, bloedpool, aneurysma, enz.Selecteer op het tabblad SEGMENT de optie Nieuw masker . Stel de boven- en ondergrens in door op beide te klikken en te slepen om zoveel mogelijk van de relevante doelanatomie vast te leggen en tegelijkertijd het vastleggen van omliggende weefsels te beperken. Klik en sleep de grenzen binnen het drempelgereedschap of voer de gewenste Hounsfield Unit (HU) in. Terwijl u drempels instelt, snijdt u bij naar een specifiek gebied van de scan om overmatige selectie van omringend weefsel te voorkomen. De boven- en ondergrens variëren sterk, afhankelijk van het scantype, het sequentietype, de hoeveelheid contrast en de patiënt. Klik op OK om het ruwe masker te voltooien. Gebruik andere hulpmiddelen op het tabblad SEGMENT om onnodige delen van het masker te verwijderen of ontbrekend weefsel toe te voegen als dat nodig is.Gebruik de tool Regiogroei om alle voxels van het masker te scheiden die rechtstreeks zijn aangesloten op een voxel die door de gebruiker is geselecteerd; gebruik Edit Mask om voxels in het masker toe te voegen of te verwijderen via zowel het 2D- als het 3D-venster; gebruik Multiple Slices Edit om voxels toe te voegen of te verwijderen door middel van interpolatie tussen segmenten die verder uit elkaar liggen; en gebruik Gaten vullen of Slim vullen om gaten van een door de gebruiker gedefinieerde grootte in het masker te vullen. Ga door met het verfijnen van het masker met behulp van gereedschappen op het tabblad totdat de 2D-naar-3D-interpolatie zo nauwkeurig mogelijk is. Herhaal stap 1.5 en 1.6 voor alle doelanatomieën. Raadpleeg een arts over de voltooide segmentatie om de nauwkeurigheid te garanderen.Laat de voltooide maskers aan een arts zien om er zeker van te zijn dat belangrijke anatomie niet is weggelaten en dat overtollige anatomie niet is opgenomen. Raadpleeg in de meeste gevallen de arts die de segmentatie aanvraagt voor kwaliteitscontrole. De arts zorgt ervoor dat het gedeelte van de DICOM dat door het masker op elke plak wordt gemarkeerd, zo nauwkeurig mogelijk is (zie afbeelding 1). Exportsegmentatie voor verdere verwerking.Converteer voltooide maskers naar onderdelen met behulp van de tool Onderdeel berekenen in het menu Projectbeheer aan de rechterkant. Exporteer berekende onderdelen naar 3D-bestanden door met de rechtermuisknop op Het onderdeel te klikken en STL exporteren te selecteren. 2. Bereid het model voor op virtual reality Maak een nieuw Blender-project en verwijder de standaard scène-elementen. Druk op de a-toets om alle zichtbare elementen te markeren en vervolgens op x gevolgd door Enter om ze uit de scène te verwijderen.OPMERKING: Blender is gratis en open-source modelleringssoftware. Hoewel andere modelleringssoftware mogelijk dezelfde taken kan uitvoeren, is de terminologie die in deze stap wordt gebruikt specifiek voor Blender. Importeer de anatomiebestanden via File > Import > Stl (.stl). Stem de anatomie van de patiënt af op de oorsprong van de wereld.Selecteer de volledige anatomie van de patiënt om de relatieve positionering te behouden. Om dit te doen, drukt u op de a-toets nadat alle bestanden zijn geïmporteerd. Gebruik de gereedschappen Verplaatsen en Roteren om de anatomie af te stemmen op de oorsprong van de wereld. Zorg ervoor dat de neus van de patiënt is uitgelijnd met één as, waarbij de loodrechte as respectievelijk contact maakt met het oorgebied en de bovenkant van de schedel. Gebruik orthografische weergaven, die kunnen worden geactiveerd met de widget in de rechterbovenhoek van de blenderinterface. Importeer de VR-gradenboog en stem deze af op de anatomie van de patiënt. Deze gradenboog is speciaal ontworpen door het technische team van OSF om te helpen bij het verkrijgen van C-booghoeken in VR, gebaseerd op hoeken in de 3D-ruimte.Importeer het gradenboog .stl-bestand uit aanvullend bestand 1. Lijn (0,0) op de gradenboog, weergegeven door de langste meetmarkering, uit met de neus van de patiënt. Oriënteer de opening in de armen van de gradenboog naar de voeten van de patiënt. Schaal de gradenboog dienovereenkomstig. In de meeste gevallen schaalt u de gradenboog vrij klein om het meetgemak na het schalen in VR te garanderen. Probeer in het geval van aneurysma’s de gradenboog zo te schalen dat deze net buiten het aneurysmagebied ligt. Stem de oorsprong van de anatomie af op de oorsprong van de wereld.Klik met de rechtermuisknop in de hoofdviewport en selecteer Snap > Cursor op World Origin. Dit zorgt ervoor dat de 3D-cursor is uitgelijnd met de globale oorsprong. Selecteer alle zichtbare modellen met de a-toets . Klik met de rechtermuisknop, klik in de viewport en selecteer Origin instellen > Origin naar 3D-cursor. Dit lijnt de 3D-oorsprong van alle modellen uit op hetzelfde punt, zodat ze goed worden uitgelijnd en geschaald wanneer ze naar VR worden geïmporteerd. Voeg naar wens textuur of kleur toe aan de modellen voor een beter onderscheid in VR.Dit is een optionele stap. Selecteer de afzonderlijke STL-bestanden en klik vervolgens op het tabblad Materiaaleigenschappen aan de rechterkant van het scherm. Onder dit tabblad kan de basiskleur worden aangepast aan de gewenste kleur. Herhaal deze stap voor elk object om kleur toe te voegen. Exporteer het voltooide model als een enkel. glb/.gltf-bestand. Zorg ervoor dat geen van de opties Beperken tot op het tabblad Opnemen van het exportvenster is geselecteerd.OPMERKING: De. Het hlb/.gltf-bestandsformaat weerspiegelt het bestandstype dat vereist is voor gebruik in de VR-software en voor uploaden naar de NIH 3D-bibliotheek. Voor andere software kunnen andere exporttypen nodig zijn. 3. Medische professionals trainen in virtual reality NOTITIE: De volgende instructies zijn geschreven voor gebruik met de Enduvo digitale klaslokaalsoftware. Hoewel het misschien mogelijk is om andere 3D-weergavesoftware te gebruiken, zijn de mogelijkheid om modellen te verplaatsen, camera’s te plaatsen en de positionering van artsen vast te leggen enkele functies die deze software ideaal maken voor deze procedure. Verschillende VR-headsets, controllers en softwarecombinaties kunnen verschillende bedieningselementen hebben. Maak een nieuwe les.Importeer het .gltf-bestand dat in stap 2.7 is geëxporteerd in het menu voor het maken van lessen. De software kan een bericht produceren met de volgende melding: Het bestandstype (GLB) dat u probeert te uploaden, wordt momenteel niet volledig ondersteund. Negeer dit bericht en klik op de knop Bevestigen . Open de les in VR om deze af te ronden.Gebruik het transparantiemenu dat toegankelijk is door op de duimpad of joystick van één controller te drukken en verberg alle modellen behalve de doelanatomie. Het aneurysma zou het enige model moeten zijn dat zichtbaar is. Plaats de chirurg of arts in VR en geef hem of haar wat tijd om vertrouwd te raken met de 3D-ruimte en -functies en de anatomie in de les. Zodra de chirurg vertrouwd is met de anatomie, begint u met opnemen.Start de opnamefunctie met behulp van de virtuele knop in de VR-ruimte of de opnameknop op de secundaire monitor. Laat de chirurg de anatomie van het doel draaien om de gewenste kijkhoeken te vinden voor zowel anteroposterieure (AP) als laterale fluoroscopieweergaven. Nadat u een voorkeurshoek hebt gevonden, vraagt u de chirurg om even te pauzeren en aan te geven dat hij een voorkeurshoek heeft gevonden en of de huidige kijkhoek AP of lateraal is. Nadat alle voorkeurshoeken zijn gevonden, stopt u met opnemen met de VR-knop of een externe monitor. 4. Genereren van fluoroscopie roadmap in VR Verkrijg fluoroscopie-analogen met behulp van geregistreerde plaatsing door de chirurg.Plaats een afbeelding die de grijze achtergrond van een fluoroscopieafbeelding nabootst achter het model in de virtuele ruimte. Gebruik de selectieknop op de controller, vaak de trigger aan de achterkant van de controller, om het beeld naar behoefte te manipuleren. Dit zorgt voor een consistente achtergrondkleur die het gemakkelijker maakt om de anatomie te bekijken en meer representatief is voor fluoroscopie. Plaats de camera in lijn met het zicht van de chirurg op het tijdstip dat is aangegeven als een voorkeurskijkhoek, en zorg ervoor dat de camera ongeveer op het midden van de doelanatomie is gericht. De chirurg verschijnt als een zwevende bril en twee controllers in VR. Maak een 2D-momentopname met de camera in de gewenste positie. Herhaal de stap voor elke gewenste hoek. Verkrijg C-booghoeken met behulp van de bewegingen en gradenboog van de chirurg.Pauzeer de opgenomen les wanneer de chirurg een voorkeurskijkhoek aangeeft. Klik op het trackpad om het snelmenu te openen en schakel het selectievakje Aan/Uit in om de gradenboog die aan het model is bevestigd weer zichtbaar te maken. Gebruik de grijpknop van de controller om een aanwijzer of liniaal te selecteren en te manipuleren in lijn met het gezichtspunt van de chirurg, waarbij ook de oorsprong van de gradenboog wordt doorgegeven. Stap achteruit van het model en bekijk de hoeken vanuit de orthografische gezichtspunten die overeenkomen met de bewegingen van de C-boog. Voor een neurologiegeval met de neus van de patiënt gericht op 0° op alle C-boogassen, neemt u de AP-hoeken van de sagittale en axiale vlakken. Neem de laterale hoeken van de coronale en axiale vlakken. In beide gevallen komt het axiale vlak overeen met de rechter- en linkerhoek van de C-boog, terwijl het sagittale en coronale vlak corresponderen met de craniale en caudale hoeken. Herhaal de bovenstaande stappen voor elke gewenste hoek.

Representative Results

Volgens het gepresenteerde protocol kunnen virtuele chirurgische routekaarten worden gegenereerd voor zowel de AP- als de laterale fluoroscopieweergaven. Deze routekaarten worden gemaakt door een camera in het gezichtspunt van de chirurg in VR te plaatsen om hun ideale AP en zijaanzichten vast te leggen, terwijl ook een gekleurde achtergrond achter de anatomie van het doel wordt geplaatst om een fluoroscopiebeeld beter te repliceren. De VR-gradenboog wordt op dit punt gebruikt om de hoek vast te leggen van waaruit de chirurg de doelanatomie bekijkt, geregistreerd als rechts of links vooraan schuin (RAO/LAO – camera respectievelijk rechts of links van de patiënt) en craniaal of caudaal anterieur (CRA/CAA – camera verschoven naar respectievelijk het hoofd of de voeten van de patiënt)15. Bij de ontwikkeling van dit proces werden retrospectieve casussen gebruikt om de mogelijkheid te bieden om hoeken gemeten in VR te vergelijken met de werkelijke hoeken die werden gebruikt op de C-boogmachines in de chirurgie. Voor dit proces werden drie verschillende retrospectieve gevallen geselecteerd, waarbij elk geval met een ander chirurgisch hulpmiddel werd behandeld. De diversiteit van deze drie casussen toont de veelzijdigheid van het gepresenteerde protocol. De chirurg werd gevraagd om voorkeurs-AP- en laterale hoeken te vinden zonder te verwijzen naar de C-booghoeken die tijdens de procedure werden gebruikt, en de VR-metingen werden vervolgens vergeleken met deze reeds bestaande C-boogposities. In geval 1 werd de opgegeven voorkeurskijkhoek voor AP in VR gemeten als 16° CRA, 12° RAO. De werkelijke metingen die in dit geval bij chirurgie werden gebruikt, waren 11° CRA en 13° RAO. De maximale fout van deze metingen is 5° op de craniale/caudale as. Figuur 2A toont de door de chirurg aangegeven AP-weergave in virtual reality, gevolgd door figuur 2B, die de werkelijke hoek toont die wordt gebruikt bij chirurgie zoals te zien in VR, en figuur 2C, die het chirurgische fluoroscopiebeeld toont. Als we de drie afbeeldingen vergelijken, zien we dat de VR-beelden buitengewoon veel lijken op het werkelijke fluoroscopiebeeld onder dezelfde hoek. De zijaanzicht van dezelfde casus toonde een van de vele uitdagingen van dit proces doordat het 3D-model onvoldoende werd beoordeeld. Vanwege deze foutieve beoordeling waren er enkele externe bloedvaten gesegmenteerd die, volgens de chirurg, hun zicht op het aneurysma in VR belemmerden en niet verbonden zijn met de doelanatomie en als zodanig niet nauwkeurig worden weergegeven in VR. Deze discrepanties waren het gevolg van miscommunicatie in de vereiste doelanatomie tijdens de kwaliteitscontrolesessie met de arts. Deze discrepanties zijn te zien in figuur 2D-F, die respectievelijk de door de chirurg aangegeven lateraal, de VR-weergave op basis van chirurgische fluoroscopiehoeken en de werkelijke fluoroscopiebeelden van links naar rechts toont. Met uitzondering van externe vaten, lijkt de door de chirurg verklaarde AP-weergave sterk op het werkelijke fluoroscopiebeeld, ondanks dat de metingen 6° en 26° afwijken in respectievelijk het coronale en axiale vlak. De replicatie van werkelijke metingen in VR, zoals weergegeven in figuur 2E, geeft ook een vergelijkbaar beeld weer als de echte fluoroscopie die rechts van figuur 2F wordt getoond, met als belangrijkste discrepantie de afwijkende extra vaten. In dit geval werd gebruik gemaakt van een minder betrouwbare handmatige plaatsing van het gradenbooggereedschap, wat het kleine verschil in meting kan verklaren. Toekomstige gevallen maken gebruik van een gradenboog die aan de anatomie is gebonden om maximale nauwkeurigheid van hoekmetingen in VR te garanderen. In gevallen 2 en 3 waren de weergaven die waren geselecteerd om optimaal te zijn in VR niet representatief voor de weergaven die in de eigenlijke procedure werden gebruikt. Dit was een gevolg van het feit dat de eerste plaatsing van modellen in VR een geblindeerde studie was. Het is belangrijk op te merken dat de chirurg zei dat fluoroscopieprocedures meerdere acceptabele behandelingshoeken kunnen hebben en dat er niet noodzakelijkerwijs een juiste hoek is. Ter vergelijking werden beelden gemaakt in VR vanuit de gerapporteerde chirurgische hoeken. Figuur 3 toont de VR-AP-weergave in Figuur 3A en de chirurgische AP-weergave in Figuur 3B. In figuur 3 kan een vergelijkbare vergelijking worden gemaakt tussen zijaanzichten in figuur 3C,D voor geval 2. Voor geval 3 toont figuur 4 de AP-vergelijking Figuur 4A,B, evenals de laterale vergelijking Figuur 4C,D. De overeenkomsten tussen de VR- en fluoroscopiebeelden van deze gevallen tonen verder aan dat VR kan worden gebruikt bij chirurgische planning. Een belangrijk voordeel van dit protocol is de verbetering van de chirurgische planning door gebruik te maken van 3D-modellen in een VR-omgeving. Een eerdere studie naar de effectiviteit van VR bij chirurgische planning voor complexe oncologische gevallen toonde aan dat ongeveer 50% van de gevallen waarin het gebruik van VR werd gebruikt, de chirurgische aanpak veranderde ten opzichte van het plan dat was gemaakt met alleen 2D-datasets9. VR is ook nuttig gebleken in het chirurgische planningsproces voor resectie van levertumoren16,17, evenals procedures met hoofd-halspathologie18. De chirurg die deelnam aan de totstandkoming van dit protocol verklaarde dat: in VR kan ik [de anatomie] zoveel beter zien, wat het voordeel van VR voor endovasculaire neurochirurgische toepassingen aantoont. Figuur 1: Screenshot vanuit segmentatiesoftware. De schermafbeelding toont de gemarkeerde anatomie op basis van maskers. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2: Geval 1. (A) Anteroposterieure weergave van casus 1 zoals geplaatst door de opererende chirurg in VR. (B) Anteroposterieure weergave van casus 1 in VR op basis van hoekmetingen die tijdens de operatie zijn uitgevoerd. (C) Anteroposterieure fluoroscopieweergave vastgelegd tijdens de operatie. (D) Zijaanzicht van casus 1 zoals geplaatst door de opererende chirurg in VR. (E) Zijaanzicht van casus 1 in VR op basis van hoekmetingen die tijdens de operatie zijn uitgevoerd. (F) Lateraal fluoroscopiebeeld vastgelegd tijdens de operatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3: Casus 2. (A) Anteroposterieure weergave van casus 2 in VR op basis van hoekmetingen tijdens de operatie. (B) Anteroposterieure fluoroscopieweergave van casus 2 vastgelegd tijdens de operatie. (C) Zijaanzicht van casus 2 in VR op basis van hoekmetingen die tijdens de operatie zijn uitgevoerd. (D) Laterale fluoroscopieweergave van casus 2 vastgelegd tijdens de operatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 4: Casus 3. (A) Anteroposterieure weergave van casus 3 in VR op basis van hoekmetingen tijdens de operatie. (B) Anteroposterieure fluoroscopieweergave van casus 3 vastgelegd tijdens de operatie. (C) Zijaanzicht van casus 3 in VR op basis van hoekmetingen die tijdens de operatie zijn uitgevoerd. (D) Laterale fluoroscopieweergave van casus 3 vastgelegd tijdens de operatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Aanvullend dossier 1: Een 3D-model van gradenbogen werd ontwikkeld en gebruikt voor het protocol in STL-bestandsformaat. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

3D-modellering werd geïntroduceerd in medische workflows met de komst van 3D-printtechnologieën 2,3,4,6,7,9,11, maar VR biedt nieuwe toepassingen van 3D-technologie die verder gaan dan een fysiek 3D-object. Inspanningen om anatomie en scenario’s in een virtuele wereld na te bootsen, maken gepersonaliseerde medische praktijken bij individuele patiënten mogelijk 1,2,3,4,9,11,13,16. Dit werk demonstreert de uitgebreide mogelijkheden om met minimale inspanning nieuwe pre-chirurgische simulaties te creëren in een digitale wereld.

In het gepresenteerde protocol zijn er verschillende stappen die cruciaal zijn voor het succes van een zaak. De belangrijkste factor bij het produceren van adequate resultaten met de juiste resolutie is het verkrijgen van de juiste medische beeldvorming. Het gepresenteerde proces vereist geen extra scans van de patiënt, met behulp van de standaard CTA-scan die is gepland voor elk geval van een intracraniaal aneurysma. De meeste scanners slaan scans voor een korte tijd op, afhankelijk van het scannermodel en het protocol van het gezondheidssysteem, zodat de beeldvormingstechnicus de verkregen dunne plakjes van de scans kan uploaden, meestal worden plakjes van minder dan 1 mm dik vaak niet langer dan een paar dagen bewaard vanwege de opslaggrootte. Deze dunne plakjes zorgen voor meer details en de opname van kleinere anatomie, zoals bloedvaten. Nadat de segmentatie heeft plaatsgevonden, moet de kwaliteitscontrole van de arts worden voltooid om ervoor te zorgen dat de gegenereerde 3D-modellen de anatomie van de patiënt in toekomstige stappen zo nauwkeurig mogelijk weergeven. Kwaliteitscontrole van alle modellen moet deel uitmaken van het segmentatieproces, waardoor de kans op verspreiding van fouten in de rest van het protocol tot een minimum wordt beperkt. Kwaliteitscontrole omvat bloedvatranden en het segmenteren van het aneurysma afzonderlijk van de omliggende bloedvaten, vergelijkbaar met hoe het zich zou presenteren met contrast. Kwaliteitscontrole met een arts is van het grootste belang, aangezien de arts de volledige verantwoordelijkheid draagt voor de nauwkeurigheid van de modellen, vooral als de modellen moeten worden gebruikt bij de verdere besluitvorming over de behandeling van de patiënt. In sommige omstandigheden kan het voor de arts haalbaar of praktisch zijn om de segmentatiestap zelf uit te voeren.

De volgende belangrijke stap in het protocol is het handhaven van de uitlijning van het ruimtelijk model en het integreren van het meetinstrument voor gradenbogen. Blender is een uiterst nuttig hulpmiddel gebleken voor deze stap, omdat het de combinatie van meerdere STL-bestandstypen mogelijk maakt in één gecombineerd bestand met meerdere lagen, die elk ruimtelijk zijn uitgelijnd en kunnen worden gekleurd of getextureerd voor extra duidelijkheid. Bovendien wordt tijdens deze stap de gradenboog STL toegevoegd, zodat hoekgegevens in VR kunnen worden verzameld. Dit gradenboogmodel is speciaal ontwikkeld met behulp van een CAD-tool (Computer Aided Design), SolidWorks. Door gebruik te maken van zeer nauwkeurige dimensioneringstools in de software, werd een boog gemaakt met tic-markeringen die elke 5° in alle drie de assen aangeven. De gradenboog heeft ook een dradenkruis dat het ware centrum van dat model aangeeft en uitlijning met het midden van de anatomie van de patiënt mogelijk maakt. Er is ook een grote balk in het model die (0,0) aangeeft en moet worden uitgelijnd met de neus van de patiënt. Het is ook belangrijk op te merken dat dit handmatig is gedaan en het foutenpercentage had kunnen verhogen. Uitlijning is van het grootste belang om de nauwkeurigheid van alle mogelijke hoekmetingen te garanderen. Eenmaal goed uitgelijnd, is het model klaar voor VR, waarbij het vastleggen van de plaatsing van het model door de arts het mogelijk maakt om in de toekomst de hoeken te bepalen waaronder het model is geplaatst. Tijdens de opname wordt alles in de virtuele ruimte opgenomen in relatie tot elkaar, met name het gezichtspunt (POV) van de arts en de bewegingen en rotaties van de modellen. Door optimaal gebruik te maken van deze opname en de pauzefunctie, wordt een liniaal van de POV van de arts door het dradenkruis van het gradenboogmodel geplaatst en kunnen metingen worden waargenomen op een manier die opmerkelijk veel lijkt op het gebruik van een echte gradenboog.

Deze methodologie heeft enkele beperkingen. Een van die beperkingen is dat er niet noodzakelijkerwijs één juiste oriëntatie voor het aneurysma is bij het bekijken ervan in fluoroscopie. Dit leidde tot meerdere validatiepogingen, simpelweg vanwege de verschillende kijkhoeken. Deze beperking kan worden gezien als een mogelijk voordeel vanuit het perspectief dat met extra vertrouwdheid die voortkomt uit het manipuleren van het 3D-model, het mogelijk is dat de arts een optimaal beeld zal vinden in vergelijking met de huidige methode voor het bepalen van hoeken binnen de operatiekamer. Een andere mogelijke beperking van dit protocol is dat het mogelijk is om in VR een kijkhoek te bepalen waar de C-bogen eigenlijk niet bij kunnen. Met deze beperking zou rekening worden gehouden en bekend zijn door de arts in VR, zodat specificaties konden worden gemaakt als dit onderdeel zou worden van de chirurgische planning. Een andere beperking, die het belang van de kwaliteitscontrolestap bewijst, is dat in sommige gevallen bloedvaten die distaal van het aneurysma zijn, in werkelijkheid niet zo prominent worden gezien in fluoroscopieprocedures als ze zouden zijn als ze in het model in VR zouden worden opgenomen. Dit kan de arts dwingen om rekening te houden met een vat dat niet noodzakelijkerwijs in de weg zou zitten tijdens de procedure in VR, wat leidt tot een suboptimale kijkhoek die wordt gegenereerd in VR. Bij segmentatie is het mogelijk om het merendeel van de bloedvaten en het interessegebied te segmenteren; De interventionalist zou ervoor kunnen kiezen om te schakelen tussen modellen van schepen om ervoor te zorgen dat er geen extra schepen in hun kijkhoek zouden zijn, het gebruik van contracten minimaliseert ook dit risico.

De ontwikkeling van een gradenboog voor een 3D-model en een protocol dat hoekmetingen in meerdere assen binnen VR kan bieden, is van enorm belang en belooft een breed scala aan potentiële toepassingen. De voordelen kunnen veelzijdig blijken te zijn en mogelijk verschillende industrieën verbeteren, van architectuur en engineering tot productie en militaire toepassingen. Zoals uit dit protocol blijkt, schittert het ware potentieel ervan echter op het gebied van de gezondheidszorg, rechtstreeks binnen de chirurgische planningsgedeelten van de patiëntenzorg. Chirurgen kunnen deze tool gebruiken om alle soorten procedures nauwgezet te beoordelen en te plannen door hoeken rechtstreeks in VR te kunnen visualiseren en meten. Deze techniek is vergelijkbaar met werk dat wordt gedaan voor hartkatheterisatie19. Een direct voordeel van het kennen van bepaalde hoeken vóór de procedure is de aanzienlijke vermindering van de noodzaak van een volledige 360-graden rotatie tijdens fluoroscopie, een veelgebruikte beeldvormingstechniek tijdens aneurysmareparatie. Door de hoeken te bepalen die nodig zijn om de virtuele chirurgische routekaart na te bootsen, kunnen de chirurgen de apparatuur nauwkeuriger positioneren, waardoor de blootstelling aan straling voor de patiënt wordt geminimaliseerd. Dit draagt niet alleen bij aan de veiligheid van de patiënt door de risico’s van blootstelling aan straling te minimaliseren, maar stroomlijnt ook de chirurgische ingreep. Omdat er minder tijd wordt besteed aan fluoroscopie-aanpassingen, kunnen chirurgische teams efficiënter werken, wat uiteindelijk leidt tot kortere proceduretijden.

Recente ontwikkelingen op het gebied van 3D-modellering en virtual reality-technologie stellen medisch personeel in staat om improvisatiedenken tijdens operaties te vermijden door een diepgaand inzicht te krijgen in de interne anatomie van een patiënt voorafgaand aan de operatie in alle, behalve de meest urgente gevallen 1,2,3,4,6,9,11,13,16 . Als de tijd het toelaat, moet medisch personeel gebruik maken van het gebruik van medische beeldsegmentatie en VR-diagnostiek om hun begrip van de zaak te vergroten voordat de patiënt op de operatietafel wordt gelegd. Dit zal uiteindelijk leiden tot een beter begrip van elke unieke patiënt, evenals een kortere operatietijd en tijd onder anesthesie.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We willen de beoordelingscommissie speciaal bedanken voor hun inzichtelijke feedback, en de redactie voor hun onschatbare opmerkingen, expertise, begeleiding en ondersteuning tijdens het schrijfproces van dit artikel. We hebben grote waardering voor de samenwerkingsomgeving die wordt bevorderd door de missiepartners van OSF HealthCare System, die de kwaliteit van dit werk heeft verbeterd. Dank aan OSF HealthCare System voor het verstrekken van middelen en ondersteuning en aan het Advanced Imaging and Modeling Lab van Jump Simulation and Education Center voor hun hulp.

Materials

3D Slicer  N/A  Open source segmentation software 
Blender  N/A  Open-source CAD software that can import and edit organic models created through segmentation 
Enduvo  Enduvo  N/A  A proprietary VR viewer built for education, and our VR viewer of choice  
McKesson PACS Change Healthcare Radiology Solution  McKesson  N/A  Any Picture Archiving and Communication System should be suffiecient, McKessen is simply our PACS software solution of choice.  
Mimics  Materialise  N/A  Segmentation software 
Quest  Oculus  N/A  Virtual Reality Headset 
Steam VR  Steam  N/A  Computer to headset connection software.  
VR capable computer  See Steam VR for minimal requirements.
VR-STL-Viewer  GitHub  N/A  A open-source VR viewer capable of importing and viewing .stl and can be used, however we cannot guarantee all functionalities mentioned in this paper will be available 
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referenzen

  1. Xia, J., et al. Three-dimensional virtual reality surgical planning and simulation workbench for orthognathic surgery. Int J Adult Orthodon Orthognath Surg. 15 (4), 265-282 (2000).
  2. Boedecker, C., et al. Using virtual 3D-models in surgical planning: workflow of an immersive virtual reality application in liver surgery. Langenbecks Arch Surg. 406, 911-915 (2021).
  3. Reitinger, B., Bornik, A., Beichel, R., Schmalstieg, D. Liver surgery planning using virtual reality. IEEE Comput Graph Appl. 26 (6), 36-47 (2006).
  4. Robiony, M., et al. Virtual reality surgical planning for maxillofacial distraction osteogenesis: The role of Reverse Engineering Rapid Prototyping and cooperative work. J Oral Maxillofacial Surg. 65 (6), 1198-1208 (2007).
  5. Xia, J., et al. Three-dimensional virtual-reality surgical planning and soft-tissue prediction for orthognathic surgery. IEEE Trans Info Tech Biomed. 5 (2), 97-107 (2001).
  6. Kim, Y., Kim, H., Kim, Y. O. Virtual reality and augmented reality in plastic surgery: A Review. Arch Plastic Surg. 44 (3), 179-187 (2017).
  7. Ayoub, A., Pulijala, Y. The application of virtual reality and augmented reality in oral & maxillofacial surgery. BMC Oral Health. 19 (1), 238 (2019).
  8. Ulbrich, M., et al. Advantages of a training course for surgical planning in virtual reality for oral and maxillofacial surgery: Crossover study. JMIR Serious Games. 11, e40541 (2023).
  9. Lyuksemburg, V., et al. Virtual reality for preoperative planning in complex surgical oncology: A single-center experience. J Surg Res. 291, 546-556 (2023).
  10. Macario, A. What does one minute of operating room time cost. J Clin Anesth. 22 (4), 233-236 (2010).
  11. Bramlet, M., et al. Virtual reality visualization of patient specific heart model. J Cardiovasc Mag Res. 18 (1), 13 (2016).
  12. Guillot, A., et al. Relationship between spatial abilities, mental rotation and functional anatomy learning. Adv Health Sci Edu. 12 (4), 491-507 (2006).
  13. Juhnke, B., et al. Use of virtual reality for pre-surgical planning in separation of conjoined twins: A case report. Proc Inst Mech Eng H. 233 (12), 1327-1332 (2019).
  14. Mattus, M. S., et al. Creation of patient-specific silicone cardiac models with applications in pre-surgical plans and hands-on training. J Vis Exp. (180), e62805 (2022).
  15. Kern, M. Angiographic projections made simple: An easy guide to understanding oblique views. Cath Lab Digest. 19 (8), (2011).
  16. Reinschluessel, A. V., et al. Virtual reality for surgical planning – evaluation based on two liver tumor resections. Front Surg. 9, 821060 (2022).
  17. Tang, R., et al. Augmented reality technology for preoperative planning and intraoperative navigation during Hepatobiliary Surgery: A review of current methods. Hepatobiliary Pancreat Dis Int. 17 (2), 101-112 (2018).
  18. Manzie, T., et al. Virtual reality digital surgical planning for jaw reconstruction: A usability study. ANZ J Surg. 93 (5), 1341-1347 (2023).
  19. Corren, Y. B., et al. CT-based Simulation of Projection Angiography Using the SlicerHeart Virtual Cath Lab [Poster Presentation]. World Congress of Pediatric Cardiology and Cardiac Surgery. , (2023).

Tags

Key Words:Precision SurgeryImagingVirtual RealityEndovascular TreatmentVascular AnomaliesMinimally Invasive Procedures3D ImagingDICOM3D ModelingCatheterization LabC-arm Positioning2D MeasurementsFluoroscopy Roadmap

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Diesen Artikel zitieren
Jockisch, R. D., Davey, C. R., Keller, S. M. P., Lahoti, S., Bramlet, M. T. Pioneering Patient-Specific Approaches for Precision Surgery Using Imaging and Virtual Reality. J. Vis. Exp. (206), e66227, doi:10.3791/66227 (2024).
Zitat herunterladen
Nachdrucke und Berechtigungen

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image