مناهج رائدة خاصة بالمريض للجراحة الدقيقة باستخدام التصوير والواقع الافتراضي
Summary
استبدلت التطورات في علاج الأوعية الدموية الداخلية الإجراءات الجراحية المفتوحة المعقدة بخيارات طفيفة التوغل ، مثل استبدال الصمام وإصلاح تمدد الأوعية الدموية. تقترح هذه الورقة استخدام النمذجة ثلاثية الأبعاد (3D) والواقع الافتراضي للمساعدة في تحديد موضع الذراع C ، وقياسات الزاوية ، وتوليد خارطة الطريق للتخطيط الإجرائي لمختبر القسطرة العصبية التداخلية ، وتقليل وقت الإجراء.
Abstract
العلاج داخل الأوعية الدموية من التشوهات الوعائية المعقدة يحول خطر العمليات الجراحية المفتوحة لصالح الحلول الإجرائية داخل الأوعية الدموية طفيفة التوغل. كانت العمليات الجراحية المفتوحة المعقدة هي الخيار الوحيد لعلاج عدد لا يحصى من الحالات مثل استبدال الصمام الرئوي والأبهري وكذلك إصلاح تمدد الأوعية الدموية الدماغية. ومع ذلك ، نظرا للتقدم في الأجهزة التي يتم توصيلها بالقسطرة وخبرة المشغل ، يمكن الآن تنفيذ هذه الإجراءات (إلى جانب العديد من الإجراءات الأخرى) من خلال إجراءات طفيفة التوغل يتم تسليمها من خلال الوريد أو الشريان المركزي أو المحيطي. يعتمد قرار التحول من الإجراء المفتوح إلى نهج الأوعية الدموية على التصوير متعدد الوسائط ، وغالبا ما يتضمن مجموعات بيانات التصوير الرقمي 3D والاتصالات في الطب (DICOM). باستخدام هذه الصور ثلاثية الأبعاد ، يقوم مختبرنا بإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد للتشريح المرضي ، مما يسمح بالتحليل المسبق الإجرائي اللازم للتخطيط المسبق للمكونات الحرجة لإجراء مختبر القسطرة ، وهي تحديد موضع الذراع C ، والقياس ثلاثي الأبعاد ، وإنشاء خريطة الطريق المثالية. توضح هذه المقالة كيفية أخذ نماذج ثلاثية الأبعاد مجزأة لعلم الأمراض الخاص بالمريض والتنبؤ بمواضع C-arm المعممة ، وكيفية قياس القياسات الحرجة ثنائية الأبعاد (2D) للهياكل ثلاثية الأبعاد ذات الصلة بتوقعات التنظير الفلوري ثنائي الأبعاد ، وكيفية إنشاء نظائر خارطة طريق التنظير الفلوري ثنائية الأبعاد التي يمكن أن تساعد في تحديد موضع الذراع C بشكل صحيح أثناء إجراءات مختبر القسطرة.
Introduction
يعد علاج تمدد الأوعية الدموية داخل الجمجمة جانبا صعبا من الجراحة العصبية التدخلية ، مما يستلزم تخطيطا جراحيا دقيقا لضمان النتائج المثلى للمريض. في السنوات الأخيرة ، أصبحت تقنية الواقع الافتراضي (VR) أداة واعدة لتعزيز التخطيط الجراحي من خلال تزويد الجراحين بإمكانية الوصول إلى نماذج تشريحية غامرة خاصة بالمريض في بيئة افتراضية ثلاثية الأبعاد1،2،3،4،5،6،7،8. تقدم هذه المقالة بروتوكولا شاملا لاستخدام التصوير الطبي والتجزئة ، ونمذجة 3D ، والتخطيط الجراحي VR ، وتوليد خارطة طريق افتراضية مثالية للمساعدة في التخطيط الجراحي لعلاج تمدد الأوعية الدموية.
يتوج الجمع بين هذه الخطوات بنهج التخطيط الجراحي الافتراضي ، مما يسمح للأطباء بالانغماس في بيئة افتراضية واكتساب فهم شامل للتشريح الفريد للمريض قبل إجراء العملية الجراحية. يمكن هذا النهج الغامر الجراحين من استكشاف الوضع الأمثل ومحاكاة السيناريوهات الإجرائية المختلفة. يمكن أن يوفر تسجيل هذه السيناريوهات نظرة ثاقبة حول وضع المعدات الجراحية في العالم الحقيقي ، مثل وضع C-arm.
بالإضافة إلى زوايا تحديد المواقع ، من الممكن أيضا قياس التشريح في بيئة افتراضية باستخدام أدوات القياس المصممة لمساحة 3D. يمكن أن توفر هذه القياسات نظرة ثاقبة على الحجم والشكل الصحيحين للجهاز الذي سيتم استخدامه في حالة تمدد الأوعية الدموية داخل الجمجمة9.
يقدم هذا البروتوكول عملية شاملة تجمع بسلاسة بين التصوير الطبي وتجزئة الصور وإعداد نموذج الواقع الافتراضي وإنشاء خارطة طريق جراحية افتراضية لتعزيز عملية التخطيط الجراحي. باستخدام مزيج من التقنيات المتطورة ، يوفر هذا البروتوكول فرصا لتوفير الوقت الثمين في غرفة العمليات10 ، بالإضافة إلى تعزيز ثقة الجراح وفهمه للحالات الجراحية المعقدة11،12،13.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم تقديم النمذجة ثلاثية الأبعاد إلى سير العمل الطبي مع ظهور تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد2،3،4،6،7،9،11 ، لكن الواقع الافتراضي يوفر تطبيقات جديدة لتقنية 3D تتجاوز كائن ثلاثي الأبعاد مادي. تسمح الجهود المبذولة لتكرار التشريح والسيناريوهات في عالم افتراضي بالممارسة الطبية الشخصية على المرضى الفرديين1،2،3،4،9،11،13،16. يوضح هذا العمل القدرة الواسعة على إنشاء محاكاة جديدة قبل الجراحة في عالم رقمي بأقل جهد ممكن.
في جميع أنحاء البروتوكول المقدم ، هناك العديد من الخطوات التي تعتبر حاسمة لنجاح القضية. العامل الأكثر أهمية في تحقيق نتائج كافية مع القرار المناسب هو الحصول على التصوير الطبي الصحيح. لا تتطلب العملية المقدمة فحوصات إضافية على المريض ، باستخدام فحص CTA القياسي المقرر لكل حالة تمدد الأوعية الدموية داخل الجمجمة. ستقوم معظم الماسحات الضوئية بتخزين عمليات المسح الضوئي لفترة قصيرة ، اعتمادا على طراز الماسح الضوئي وبروتوكول النظام الصحي ، مما يسمح لفني التصوير بتحميل الشرائح الرفيعة المكتسبة من عمليات المسح التي عادة ما لا يتم تخزين شرائح أقل من 1 مم لفترة أطول من بضعة أيام بسبب حجم التخزين. تسمح هذه الشرائح الرفيعة بمزيد من التفاصيل وإدراج تشريح أصغر ، مثل الأوعية الدموية. بعد إجراء التجزئة ، يجب إكمال مراقبة جودة الطبيب لضمان أن نماذج 3D التي تم إنشاؤها تمثل تشريح المريض بأكبر قدر ممكن من الدقة في الخطوات المستقبلية. يجب أن تكون مراقبة الجودة لجميع النماذج جزءا من عملية التجزئة ، مما يقلل إلى أدنى حد من احتمال انتشار الخطأ طوال الفترة المتبقية من البروتوكول. تشمل مراقبة الجودة حدود الأوعية الدموية وتقسيم تمدد الأوعية الدموية بشكل منفصل عن الأوعية المحيطة ، على غرار الطريقة التي ستظهر بها مع التباين. تعتبر مراقبة الجودة مع الطبيب ذات أهمية قصوى حيث يتحمل الطبيب المسؤولية الكاملة عن دقة النماذج ، خاصة إذا كانت النماذج ستستخدم في اتخاذ مزيد من القرارات بشأن علاج المريض. في بعض الحالات ، قد يكون من الممكن أو العملي للطبيب إكمال خطوة التجزئة بنفسه.
الخطوة المهمة التالية في البروتوكول هي الحفاظ على محاذاة النموذج المكاني مع دمج أداة قياس المنقلة. أثبت Blender أنه أداة مفيدة للغاية لهذه الخطوة لأنه يسمح بدمج أنواع ملفات STL المتعددة في ملف واحد مدمج مع طبقات متعددة ، كل منها محاذي مكانيا ويمكن تلوينه أو نسيجه لمزيد من الوضوح. بالإضافة إلى ذلك ، خلال هذه الخطوة ، تتم إضافة المنقلة STL بحيث يمكن جمع بيانات الزاوية في الواقع الافتراضي. تم تطوير نموذج المنقلة هذا خصيصا باستخدام أداة التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) ، SolidWorks. بالاستفادة من أدوات تحديد الأبعاد عالية الدقة داخل البرنامج ، تم إنشاء قوس بعلامات التشنج اللاإرادي التي تشير إلى كل 5 درجات في جميع المحاور الثلاثة. تحتوي المنقلة أيضا على شعيرات متصالبة تدل على المركز الحقيقي لهذا النموذج وتسمح بالمحاذاة إلى مركز تشريح المريض. يوجد أيضا شريط كبير داخل النموذج يدل على (0,0) ويجب محاذاته مع أنف المريض. أيضا ، من المهم ملاحظة أن هذا تم يدويا وكان من الممكن أن يزيد من نسبة الخطأ. المحاذاة ذات أهمية قصوى لضمان دقة جميع قياسات الزاوية المحتملة. بمجرد محاذاة النموذج بشكل صحيح ، يكون جاهزا للواقع الافتراضي ، حيث يسمح تسجيل وضع الطبيب للنموذج بتحديد الزوايا التي تم وضع النموذج فيها في المستقبل. أثناء التسجيل ، يتم تسجيل كل شيء داخل الفضاء الافتراضي بالإشارة إلى بعضها البعض ، والأهم من ذلك وجهة نظر الطبيب (POV) وحركات النماذج ودورانها. مع الاستفادة الكاملة من هذا التسجيل وميزة الإيقاف المؤقت ، يتم وضع حافة مستقيمة من POV الخاص بالطبيب من خلال تقاطع نموذج المنقلة ، ويمكن ملاحظة القياسات بطريقة مشابهة بشكل ملحوظ لاستخدام المنقلة الفعلية.
هذه المنهجية لديها بعض القيود. أحد هذه القيود هو أنه لا يوجد بالضرورة اتجاه واحد صحيح لتمدد الأوعية الدموية عند مشاهدته في التنظير الفلوري. أدى ذلك إلى محاولات متعددة للتحقق من الصحة ببساطة بسبب زوايا المشاهدة المختلفة. يمكن اعتبار هذا القيد فائدة محتملة من منظور أنه مع الألفة الإضافية التي تأتي من التلاعب بنموذج 3D ، من الممكن أن يجد الطبيب وجهة نظر مثالية مقارنة بالطريقة الحالية لتحديد الزوايا داخل جناح التشغيل. هناك قيد محتمل آخر لهذا البروتوكول وهو أنه من الممكن تحديد زاوية عرض في الواقع الافتراضي لن يكون من الممكن في الواقع الوصول إليها C-arms. سيتم أخذ هذا القيد في الاعتبار ومعرفته من قبل الطبيب في الواقع الافتراضي بحيث يمكن وضع المواصفات إذا أصبح هذا جزءا من التخطيط الجراحي. هناك قيد آخر ، يثبت أهمية خطوة مراقبة الجودة ، وهو أنه في بعض الحالات ، لا ينظر إلى الأوعية البعيدة عن تمدد الأوعية الدموية ، في الواقع ، بشكل بارز في إجراءات التنظير الفلوري كما لو تم تضمينها في النموذج في الواقع الافتراضي. هذا يمكن أن يجبر الطبيب على أن يكون على دراية بوعاء لن يكون بالضرورة في الطريق أثناء الإجراء في الواقع الافتراضي ، مما يؤدي إلى إنشاء زاوية رؤية دون المستوى الأمثل في الواقع الافتراضي. في التجزئة ، من الممكن تقسيم غالبية الأوعية الدموية ومنطقة الاهتمام ؛ يمكن للتدخل أن يختار التبديل بين نماذج السفن لضمان عدم وجود سفن إضافية في زاوية رؤيتها ، كما أن استخدام العقد يقلل من هذا الخطر أيضا.
إن تطوير منقلة نموذج 3D وبروتوكول يمكن أن يوفر قياسات زاوية في محاور متعددة داخل الواقع الافتراضي يحمل أهمية كبيرة ويعد بمجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة. يمكن أن تكون الفوائد متعددة الأوجه ، مما قد يعزز الصناعات المختلفة من الهندسة المعمارية والهندسة إلى التصنيع والتطبيقات العسكرية. ومع ذلك ، كما هو موضح في هذا البروتوكول ، فإن إمكاناته الحقيقية تتألق في مجال الرعاية الصحية ، مباشرة ضمن أجزاء التخطيط الجراحي لرعاية المرضى. يمكن للجراحين استخدام هذه الأداة لتقييم وتخطيط جميع أنواع الإجراءات بدقة من خلال القدرة على تصور وقياس الزوايا مباشرة في الواقع الافتراضي. تشبه هذه التقنية العمل المنجز لقسطرة القلب19. تتمثل إحدى الفوائد المباشرة لمعرفة زوايا معينة قبل الإجراء في الانخفاض الكبير في الحاجة إلى دوران كامل بزاوية 360 درجة أثناء التنظير الفلوري ، وهي تقنية تصوير شائعة الاستخدام أثناء إصلاح تمدد الأوعية الدموية. من خلال تحديد الزوايا المطلوبة لتقليد خارطة الطريق الجراحية الافتراضية ، يمكن للجراحين وضع المعدات بشكل أكثر دقة ، وبالتالي تقليل التعرض للإشعاع للمريض. هذا لا يساهم فقط في سلامة المرضى من خلال تقليل المخاطر المرتبطة بالتعرض للإشعاع ولكن أيضا يبسط الإجراء الجراحي. مع تقليل الوقت المستغرق في تعديلات التنظير الفلوري ، يمكن للفرق الجراحية العمل بكفاءة أكبر ، مما يؤدي في النهاية إلى أوقات إجراء أقصر.
تسمح التطورات الحديثة في النمذجة ثلاثية الأبعاد وتكنولوجيا الواقع الافتراضي للطاقم الطبي بتجنب التفكير الارتجالي أثناء العمليات الجراحية من خلال الحصول على فهم عميق للتشريح الداخلي للمريض قبل العملية في جميع الحالات باستثناء الحالات الأكثر إلحاحا1،2،3،4،6،9،11،13،16. إذا سمح الوقت ، يجب على الطاقم الطبي الاستفادة من استخدام تجزئة الصور الطبية وتشخيصات الواقع الافتراضي لتعزيز فهمهم للحالة قبل وضع المريض على طاولة العمليات. سيؤدي ذلك في النهاية إلى فهم أفضل لكل مريض فريد ، بالإضافة إلى تقليل وقت الجراحة ووقتها تحت التخدير.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نتقدم بشكر خاص إلى لجنة المراجعة على ملاحظاتهم الثاقبة ، وإلى التحرير على تعليقاتهم وخبراتهم وتوجيهاتهم ودعمهم الذي لا يقدر بثمن طوال عملية كتابة هذه المقالة. نحن نقدر تقديرا كبيرا البيئة التعاونية التي عززها شركاء المهمة في نظام OSF للرعاية الصحية ، والتي عززت جودة هذا العمل. شكرا لنظام OSF HealthCare لتوفير الموارد والدعم ولمختبر التصوير والنمذجة المتقدم في مركز Jump Simulation and Education لمساعدتهم.
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 |
References
- 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).
- 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).
- Reitinger, B., Bornik, A., Beichel, R., Schmalstieg, D. Liver surgery planning using virtual reality. IEEE Comput Graph Appl. 26 (6), 36-47 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ayoub, A., Pulijala, Y. The application of virtual reality and augmented reality in oral & maxillofacial surgery. BMC Oral Health. 19 (1), 238 (2019).
- 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).
- Lyuksemburg, V., et al. Virtual reality for preoperative planning in complex surgical oncology: A single-center experience. J Surg Res. 291, 546-556 (2023).
- Macario, A. What does one minute of operating room time cost. J Clin Anesth. 22 (4), 233-236 (2010).
- Bramlet, M., et al. Virtual reality visualization of patient specific heart model. J Cardiovasc Mag Res. 18 (1), 13 (2016).
- Guillot, A., et al. Relationship between spatial abilities, mental rotation and functional anatomy learning. Adv Health Sci Edu. 12 (4), 491-507 (2006).
- 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).
- 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).
- Kern, M. Angiographic projections made simple: An easy guide to understanding oblique views. Cath Lab Digest. 19 (8), (2011).
- Reinschluessel, A. V., et al. Virtual reality for surgical planning – evaluation based on two liver tumor resections. Front Surg. 9, 821060 (2022).
- 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).
- Manzie, T., et al. Virtual reality digital surgical planning for jaw reconstruction: A usability study. ANZ J Surg. 93 (5), 1341-1347 (2023).
- 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).
