JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
italiano

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicine

Approcci pionieristici specifici per il paziente per la chirurgia di precisione utilizzando l'imaging e la realtà virtuale

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

I progressi nel trattamento endovascolare hanno sostituito le complesse procedure chirurgiche a cielo aperto con opzioni minimamente invasive, come la sostituzione della valvola e la riparazione dell’aneurisma. Questo documento propone di utilizzare la modellazione tridimensionale (3D) e la realtà virtuale per facilitare il posizionamento dell’arco a C, le misurazioni dell’angolo e la generazione di roadmap per la pianificazione procedurale del laboratorio di cateterismo neurointerventistico, riducendo al minimo i tempi della procedura.

Abstract

Il trattamento endovascolare di anomalie vascolari complesse sposta il rischio di procedure chirurgiche a cielo aperto a vantaggio di soluzioni procedurali endovascolari minimamente invasive. Le complesse procedure chirurgiche a cielo aperto erano l’unica opzione per il trattamento di una miriade di condizioni come la sostituzione della valvola polmonare e aortica e la riparazione dell’aneurisma cerebrale. Tuttavia, grazie ai progressi nei dispositivi con catetere e all’esperienza dell’operatore, queste procedure (insieme a molte altre) possono ora essere eseguite attraverso procedure minimamente invasive erogate attraverso una vena o un’arteria centrale o periferica. La decisione di passare da una procedura aperta a un approccio endovascolare si basa sull’imaging multimodale, che spesso include set di dati di imaging DICOM (3D Digital Imaging and Communications in Medicine). Utilizzando queste immagini 3D, il nostro laboratorio genera modelli 3D dell’anatomia patologica, consentendo così l’analisi pre-procedurale necessaria per pianificare in anticipo i componenti critici della procedura di laboratorio di cateterizzazione, vale a dire, il posizionamento dell’arco a C, la misurazione 3D e la generazione di road-map idealizzate. Questo articolo descrive come acquisire modelli 3D segmentati di patologia specifica del paziente e prevedere le posizioni generalizzate dell’arco a C, come misurare le misurazioni bidimensionali (2D) critiche di strutture 3D rilevanti per le proiezioni fluoroscopiche 2D e come generare analoghi della roadmap della fluoroscopia 2D che possono aiutare nel corretto posizionamento dell’arco a C durante le procedure di laboratorio di cateterizzazione.

Introduction

Il trattamento degli aneurismi intracranici è un aspetto impegnativo della chirurgia neurointerventistica, che richiede una pianificazione chirurgica precisa per garantire risultati ottimali per il paziente. Negli ultimi anni, la tecnologia della realtà virtuale (VR) è diventata uno strumento promettente per migliorare la pianificazione chirurgica, fornendo ai chirurghi l’accesso a modelli anatomici immersivi e specifici per il paziente in un ambiente virtuale3D 1,2,3,4,5,6,7,8 . Questo articolo presenta un protocollo completo per l’uso dell’imaging e della segmentazione medica, della modellazione 3D, della pianificazione chirurgica VR e della generazione di roadmap virtuali idealizzate per aiutare nella pianificazione chirurgica per il trattamento degli aneurismi.

La combinazione di questi passaggi culmina in un approccio di pianificazione chirurgica virtuale, che consente ai medici di immergersi in un ambiente virtuale e acquisire una comprensione completa dell’anatomia unica di un paziente prima di una procedura chirurgica. Questo approccio immersivo consente ai chirurghi di esplorare il posizionamento ottimale e simulare vari scenari procedurali. La registrazione di questi scenari può fornire informazioni sul posizionamento delle apparecchiature chirurgiche del mondo reale, come il posizionamento dell’arco a C.

Oltre agli angoli di posizionamento, è anche possibile misurare l’anatomia in un ambiente virtuale utilizzando strumenti di misurazione progettati per lo spazio 3D. Queste misurazioni possono fornire informazioni sul corretto dimensionamento e sulla forma del dispositivo da utilizzare in un caso di aneurisma intracranico9.

Questo protocollo presenta un processo completo che combina perfettamente l’imaging medico, la segmentazione delle immagini, la preparazione del modello VR e la generazione di roadmap chirurgiche virtuali per migliorare il processo di pianificazione chirurgica. Utilizzando una combinazione di tecnologie all’avanguardia, questo protocollo offre l’opportunità di risparmiare tempo prezioso in sala operatoria10, nonché di aumentare la fiducia del chirurgo e la comprensione dei casi chirurgici complessi 11,12,13.

Protocol

I DICOM umani anonimizzati o DICOM per la cura dei pazienti vengono utilizzati in conformità con le linee guida istituzionali per la cura dei pazienti, l’Health Insurance Portability and Accountability Act del 1996 (HIPAA) e la collaborazione con l’Institutional Review Board (IRB) quando appropriato. 1. Anatomia specifica del segment patiente Acquisizione di scansioni medicheInizia il processo di segmentazione con un medico o un chirurgo che ordina scansioni mediche. Queste scansioni fanno parte del protocollo standard di cura del paziente e non introducono procedure aggiuntive. Se il medico sa che richiederà la segmentazione, assicurati che chieda l’esportazione di set di dati sottilmente affettati dallo scanner MRI o TC. Nella maggior parte dei casi, queste fette sottili hanno uno spessore inferiore a 1 mm; Tuttavia, questa risoluzione può variare da uno scanner all’altro. Eseguire scansioni CTA con contrasto per garantire una corretta segmentazione del sistema vascolare e delle pozze di sangue.Per l’acquisizione dei dati, acquisire la sequenza 3D della risonanza magnetica con i seguenti parametri suggeriti: eseguire in assiale, garantire lo spessore della fetta e lo spazio tra le fette di 0,625 mm o inferiore, spaziatura zero. Acquisisci la serie CT 3D con i seguenti parametri suggeriti: scanner di fette in modalità elicoidale, spessore della fetta e spazio tra le fette di 0,625 mm, ad esempio, Neuro: Kvp di 120, gamma Smart mA di 100-740, velocità di rotazione a 0,5 ms o Cardiaco: Kvp di 70, gamma Smart mA di 201-227 (modalità smart MA 226), velocità di rotazione a 0,28 ms14. Segui i parametri elicoidali dell’istituzione per ogni parte del corpo.NOTA: La sequenza 3D deve essere acquisita in modo che nella ricostruzione vi sia una risoluzione quasi isotropa nei piani assiale, coronale e sagittale. Nella maggior parte dei casi, le fette più sottili dovrebbero essere acquisite. La sequenza 3D viene eseguita in aggiunta al protocollo standard dell’istituto per l’imaging. Tuttavia, viene eseguito contemporaneamente, quindi il lavoro, l’esposizione alle radiazioni e le spese per il team clinico e il paziente sono minimi. Chiedi al medico di richiedere la segmentazione del modello, specificando quale anatomia sarà l’obiettivo centrale per il processo di segmentazione (un medico o un chirurgo di solito completa questo passaggio). Scaricare i dati di scansione e salvarli localmente.Se è stata eseguita più di una scansione, assicurarsi che i set di dati DICOM della scansione vengano confrontati per determinare quale set di scansione ha l’impostazione della sezione più sottile e il miglior contrasto, in quanto ciò fornirà i modelli 3D con la massima risoluzione quando segmentati. Una volta determinato il miglior set di immagini, scaricalo dal database delle immagini per la segmentazione, l’anonimizzazione o lascia i dati così come sono con le informazioni sanitarie protette (PHI). Questo protocollo funzionerà con un DICOM anonimizzato. Importare il set di dati DICOM nel software di segmentazione.NOTA: il seguente set di istruzioni utilizza termini specifici del software di segmentazione Materialise Mimics. Sebbene Materialise Suite sia un software basato su abbonamento, esistono alternative open source come 3DSlicer. I nomi e la terminologia degli strumenti possono variare in altri strumenti di segmentazione. Crea una maschera ruvida dell’anatomia bersaglio, come l’osso, la pozza di sangue, l’aneurisma, ecc.Nella scheda SEGMENTO , selezionate lo strumento Nuova maschera . Impostare i limiti della soglia superiore e inferiore facendo clic e trascinandoli entrambi per acquisire il maggior numero possibile di anatomie target rilevanti e limitare l’acquisizione dei tessuti circostanti. Fate clic e trascinate i contorni all’interno dello strumento soglia o immettete l’unità Hounsfield (HU) desiderata. Durante l’impostazione delle soglie, ritagliare un’area specifica della scansione per evitare un’eccessiva selezione del tessuto circostante. I limiti della soglia superiore e inferiore variano notevolmente a seconda del tipo di scansione, del tipo di sequenza, della quantità di contrasto e del paziente. Fate clic su OK per finalizzare la maschera ruvida. Utilizzare altri strumenti all’interno della scheda SEGMENTO per rimuovere le parti non necessarie della maschera o aggiungere il tessuto mancante in base alle esigenze.Utilizzare lo strumento Region Grow per separare tutti i voxel della maschera direttamente collegati a un voxel selezionato dall’utente; utilizzare Modifica maschera per aggiungere o rimuovere voxel nella maschera tramite le finestre 2D e 3D; utilizzare Multiple Slices Edit per aggiungere o rimuovere voxel attraverso l’interpolazione tra sezioni più distanti; e utilizzare Riempi fori o Riempimento avanzato per riempire i buchi di una dimensione definita dall’utente all’interno della maschera. Continuate a perfezionare la maschera utilizzando gli strumenti nella scheda fino a quando l’interpolazione da 2D a 3D non sarà il più accurata possibile. Ripetere i passaggi 1.5 e 1.6 per tutte le anatomie target. Consultare un medico per quanto riguarda la segmentazione completata per garantire l’accuratezza.Mostra le maschere completate a un medico per assicurarti che l’anatomia importante non sia stata omessa e che l’anatomia in eccesso non sia stata inclusa. Nella maggior parte dei casi, consultare il medico che richiede la segmentazione per il controllo di qualità. Il medico si assicura che la porzione di DICOM evidenziata dalla maschera su ciascuna fetta sia il più accurata possibile (vedere la Figura 1). Segmentazione delle esportazioni per ulteriori elaborazioni.Converti le maschere finalizzate in parti utilizzando lo strumento Calcola parte situato nel menu Gestione progetti sul lato destro. Esportare le parti calcolate in file 3D facendo clic con il pulsante destro del mouse su La parte e selezionando Esporta STL. 2. Preparare il modello per la realtà virtuale Crea un nuovo progetto Blender e rimuovi gli elementi della scena predefiniti. Premere il tasto a per evidenziare tutti gli elementi visibili, quindi x seguito da Invio per rimuoverli dalla scena.NOTA: Blender è un software di modellazione gratuito e open-source. Mentre altri software di modellazione potrebbero essere in grado di eseguire le stesse attività, la terminologia utilizzata in questo passaggio sarà specifica per Blender. Importare i file di anatomia tramite File > Import > Stl (.stl). Allineare l’anatomia del paziente con l’origine del mondo.Selezionare tutta l’anatomia del paziente per mantenere il posizionamento relativo. Per fare ciò, premere il tasto a dopo che tutti i file sono stati importati. Usa gli strumenti Sposta e Ruota per allineare l’anatomia con l’origine del mondo. Assicurarsi che il naso del paziente sia allineato con un asse, con l’asse perpendicolare che entra in contatto rispettivamente con l’area dell’orecchio e la parte superiore del cranio. Usa le viste ortogonali, che possono essere attivate con il widget nell’angolo in alto a destra dell’interfaccia di blender. Importare il goniometro VR e allinearlo all’anatomia del paziente. Questo goniometro è stato appositamente progettato dal team di ingegneri OSF per facilitare l’acquisizione di angoli di arco a C in VR, basati su angoli nello spazio 3D.Importare il file .stl del goniometro dal file supplementare 1. Allineare (0,0) sul goniometro, rappresentato dal segno di misurazione più lungo, con il naso del paziente. Orientare la fessura dei bracci del goniometro verso i piedi del paziente. Ridimensionare il goniometro di conseguenza. Per la maggior parte dei casi, ridimensionare il goniometro in modo da garantire una facile misurazione dopo il ridimensionamento in VR. Nel caso degli aneurismi, prova a ridimensionare il goniometro in modo che si trovi appena al di fuori dell’area dell’aneurisma. Allinea le origini dell’anatomia all’origine del mondo.Fare clic con il pulsante destro del mouse nella finestra principale e selezionare Aggancia > cursore all’origine globale. In questo modo il cursore 3D è allineato con l’origine globale. Selezionare tutti i modelli visibili con il tasto a . Fare clic con il pulsante destro del mouse, fare clic nella finestra della vista e selezionare Imposta origine > Origine su cursore 3D. In questo modo si allinea l’origine 3D di tutti i modelli allo stesso punto, assicurando che si allineino e si scalino correttamente quando vengono importati in VR. Aggiungi texture o colore ai modelli come desideri per una migliore distinzione in VR.Si tratta di un passaggio facoltativo. Selezionare i singoli file .stl, quindi fare clic sulla scheda Proprietà materiale sul lato destro dello schermo. In questa scheda, il colore di base può essere regolato sul colore desiderato. Ripeti questo passaggio per ogni oggetto per aggiungere colore. Esportare il modello finalizzato come singolo. glb/.gltf. Assicurarsi che nessuna delle opzioni Limita a nella scheda Includi della finestra di esportazione sia selezionata.NOTA: Il. Il formato di file glb/.gltf riflette il tipo di file richiesto per l’uso nel software VR, nonché per il caricamento nella libreria NIH 3D. Potrebbero essere necessari altri tipi di esportazione per software diversi. 3. Formare professionisti medici nella realtà virtuale NOTA: Le seguenti istruzioni sono scritte per essere utilizzate con il software per aule digitali Enduvo. Sebbene sia possibile utilizzare altri software di visualizzazione 3D, la possibilità di spostare modelli, posizionare telecamere e registrare il posizionamento del medico sono alcune caratteristiche che rendono questo software ideale per questa procedura. Diversi visori VR, controller e combinazioni di software possono avere controlli diversi. Crea una nuova lezione.Importare il file .gltf esportato al punto 2.7 nel menu di creazione della lezione. Il software potrebbe visualizzare un messaggio che indica: Il tipo di file (GLB) che si sta tentando di caricare non è attualmente completamente supportato. Ignorare questo messaggio e fare clic sul pulsante Conferma . Apri la lezione in VR per finalizzarla.Utilizzando il menu di trasparenza a cui si accede premendo il thumbpad o il joystick di un controller, nascondi tutti i modelli tranne l’anatomia del bersaglio. L’aneurisma dovrebbe essere l’unico modello visibile. Posiziona il chirurgo o il medico in VR e concedigli un po’ di tempo per familiarizzare con lo spazio e le funzioni 3D e l’anatomia della lezione. Una volta che il chirurgo si sente a proprio agio con l’anatomia, inizia a registrare.Avviare la funzione di registrazione utilizzando il pulsante virtuale nello spazio VR o il pulsante di registrazione sul monitor secondario. Lascia che il chirurgo ruoti l’anatomia target per trovare gli angoli di visione preferiti sia per la visione della fluoroscopia anteroposteriore (AP) che per quella laterale. Dopo aver trovato un’angolazione preferita, chiedi al chirurgo di fare una breve pausa e di dichiarare che ha trovato un’angolazione preferita e se l’angolo di visione corrente è AP o laterale. Dopo aver trovato tutte le angolazioni preferite, interrompi la registrazione con il pulsante VR o il monitor esterno. 4. Generazione di una roadmap per la fluoroscopia in VR Acquisire analoghi della fluoroscopia utilizzando il posizionamento registrato del chirurgo.Posiziona un’immagine che imita lo sfondo grigio di un’immagine fluoroscopica dietro il modello nello spazio virtuale. Usa il pulsante di selezione sul controller, spesso il grilletto sul retro del controller, per manipolare l’immagine secondo necessità. In questo modo si crea un colore di sfondo coerente che facilita la visualizzazione dell’anatomia ed è più rappresentativo della fluoroscopia. Posizionare la telecamera in linea con la visuale del chirurgo nel momento dichiarato come angolo di visione preferito, assicurandosi che la telecamera sia puntata all’incirca al centro dell’anatomia del bersaglio. Il chirurgo apparirà come un set di occhiali fluttuanti e due controller in VR. Cattura un’istantanea 2D con la fotocamera nella posizione desiderata. Ripeti il passaggio per ogni angolazione preferita. Acquisisci gli angoli dell’arco a C utilizzando i movimenti del chirurgo e il goniometro.Metti in pausa la lezione registrata quando il chirurgo dichiara un angolo di visione preferito. Fai clic sul trackpad per aprire il menu rapido e seleziona la casella di controllo Attiva/Disattiva per mostrare il goniometro associato al modello. Usa il pulsante di presa del controller per selezionare e manipolare un puntatore o una riga in linea con il punto di vista del chirurgo, passando anche attraverso l’origine del goniometro. Fate un passo indietro rispetto al modello e osservate gli angoli dai punti di vista ortogonali corrispondenti ai movimenti dell’arco a C. Per un caso neurologico con il naso del paziente orientato a 0° su tutti gli assi dell’arco a C, prendere gli angoli AP dal piano sagittale e assiale. Prendi gli angoli laterali dal piano coronale e assiale. In entrambi i casi, il piano assiale corrisponde agli angoli destro e sinistro dell’arco a C, mentre i piani sagittale e coronale corrispondono agli angoli craniale e caudale. Ripeti i passaggi precedenti per ogni angolazione preferita.

Representative Results

Seguendo il protocollo presentato, è possibile generare roadmap chirurgiche virtuali sia per la vista AP che per la fluoroscopia laterale. Queste roadmap vengono create posizionando una telecamera sul punto di vista del chirurgo in VR per catturare l’AP ideale e le viste laterali, posizionando anche uno sfondo colorato dietro l’anatomia del bersaglio per replicare meglio un’immagine fluoroscopica. A questo punto, il goniometro VR viene utilizzato per registrare l’angolazione da cui il chirurgo sta osservando l’anatomia del bersaglio, registrata come obliqua anteriore destra o sinistra (RAO/LAO – offset della telecamera a destra o a sinistra del paziente, rispettivamente) e anteriore cranico o caudale (CRA/CAA – offset della telecamera verso la testa o i piedi del paziente, rispettivamente)15. Durante lo sviluppo di questo processo, sono stati utilizzati casi retrospettivi per fornire la possibilità di confrontare gli angoli misurati in VR con gli angoli effettivi utilizzati sulle macchine con arco a C in chirurgia. Per questo processo sono stati selezionati tre diversi casi retrospettivi, ognuno dei quali è stato trattato con un dispositivo chirurgico diverso. La diversità di questi tre casi dimostra la versatilità del protocollo presentato. Al chirurgo è stato chiesto di trovare l’AP preferito e gli angoli laterali senza fare riferimento agli angoli dell’arco a C utilizzati durante la procedura, e le misurazioni VR sono state quindi confrontate con queste posizioni preesistenti dell’arco a C. Nel caso 1, l’angolo di visione AP preferito dichiarato è stato misurato in VR come 16° CRA, 12° RAO. Le misurazioni effettive utilizzate in chirurgia per questo caso sono state 11° CRA e 13° RAO. L’errore massimo tra queste misurazioni è di 5° sull’asse cranio/caudale. La Figura 2A mostra la vista AP dichiarata dal chirurgo nella realtà virtuale, seguita dalla Figura 2B, che mostra l’angolo effettivo utilizzato in chirurgia come visto in VR, e dalla Figura 2C, che mostra l’immagine della fluoroscopia chirurgica. Confrontando le tre immagini si nota che le immagini VR sono straordinariamente simili all’immagine reale della fluoroscopia con la stessa angolazione. La vista laterale dello stesso caso ha mostrato una delle tante sfide di questo processo a causa della revisione inadeguata del modello 3D. A causa di questa revisione errata, c’erano alcuni vasi estranei segmentati che, secondo il chirurgo, inibivano la loro visione dell’aneurisma in VR e non sono collegati all’anatomia del bersaglio e, come tali, non sono accuratamente riflessi in VR. Queste discrepanze erano il risultato di un’errata comunicazione nell’anatomia target richiesta durante la sessione di controllo qualità con il medico. Queste discrepanze possono essere viste nella Figura 2D-F, che mostra rispettivamente il laterale dichiarato dal chirurgo, la rappresentazione VR basata sugli angoli di fluoroscopia chirurgica e le immagini di fluoroscopia effettive da sinistra a destra. Con l’eccezione dei vasi estranei, la vista AP dichiarata dal chirurgo assomiglia molto all’immagine fluoroscopica effettiva, nonostante le misurazioni effettuate siano rispettivamente di 6° e 26° sul piano coronale e assiale. La replica delle misurazioni effettive in VR, come mostrato nella Figura 2E, mostra anche una vista simile alla fluoroscopia reale mostrata a destra della Figura 2F, con la principale discrepanza rappresentata dai vasi anomali in più. In questo caso è stato utilizzato un posizionamento manuale meno affidabile dello strumento goniometro, che potrebbe spiegare la leggera differenza nella misurazione. I casi futuri impiegheranno un goniometro legato all’anatomia per garantire la massima precisione delle misurazioni angolari effettuate in VR. Nei casi 2 e 3, le viste selezionate per essere ottimali in VR non erano rappresentative delle viste utilizzate nella procedura effettiva. Questa è stata una conseguenza del fatto che il posizionamento iniziale dei modelli in VR era uno studio in cieco. È importante notare che il chirurgo ha affermato che le procedure di fluoroscopia possono avere più angoli di trattamento accettabili e non c’è necessariamente un angolo corretto. Ai fini del confronto, le immagini sono state scattate in VR dalle angolazioni chirurgiche riportate. La Figura 3 mostra la vista VR AP nella Figura 3A e la vista AP chirurgica nella Figura 3B. Nella Figura 3, un confronto simile può essere fatto tra le viste laterali della Figura 3C,D per il caso 2. Per il caso 3, la Figura 4 mostra il confronto AP Figura 4A,B, nonché il confronto laterale Figura 4C,D. Le somiglianze tra le immagini VR e fluoroscopiche di questi casi dimostrano ulteriormente la capacità della VR di essere utilizzata nella pianificazione chirurgica. Un importante vantaggio di questo protocollo è il miglioramento della pianificazione chirurgica sfruttando i modelli 3D in un ambiente VR. Uno studio precedente sull’efficacia della VR nella pianificazione chirurgica per casi oncologici complessi ha mostrato che circa il 50% dei casi che hanno impiegato l’uso della VR ha alterato l’approccio chirurgico rispetto al piano realizzato utilizzando solo set di dati 2D9. La VR si è dimostrata utile anche nel processo di pianificazione chirurgica per la resezione del tumore epatico16,17, nonché nelle procedure che coinvolgono la patologia della testa e del collo18. Il chirurgo che ha partecipato alla creazione di questo protocollo ha dichiarato che: in VR posso vedere [l’anatomia] molto meglio, mostrando i benefici della VR per le applicazioni neurochirurgiche endovascolari. Figura 1: Screenshot dall’interno del software di segmentazione. Lo screenshot mostra l’anatomia evidenziata in base alle maschere. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2: Caso 1. (A) Vista anteroposteriore del Caso 1 come collocata dal chirurgo operante in VR. (B) Vista anteroposteriore del Caso 1 in VR sulla base delle misurazioni angolari effettuate durante l’intervento chirurgico. (C) Vista della fluoroscopia anteroposteriore catturata durante l’intervento chirurgico. (D) Vista laterale del Caso 1 come posizionato dal chirurgo operante in VR. (E) Vista laterale del Caso 1 in VR sulla base delle misurazioni angolari effettuate durante l’intervento chirurgico. (F) Vista della fluoroscopia laterale acquisita durante l’intervento chirurgico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: Caso 2. (A) Vista anteroposteriore del Caso 2 in VR sulla base delle misurazioni angolari effettuate durante l’intervento chirurgico. (B) Vista fluoroscopica anteroposteriore del Caso 2 catturata durante l’intervento chirurgico. (C) Vista laterale del Caso 2 in VR basata su misurazioni angolari effettuate durante l’intervento chirurgico. (D) Vista fluoroscopica laterale del Caso 2 catturata durante l’intervento chirurgico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4: Caso 3. (A) Vista anteroposteriore del Caso 3 in VR sulla base delle misurazioni angolari effettuate durante l’intervento chirurgico. (B) Vista fluoroscopica anteroposteriore del Caso 3 catturata durante l’intervento chirurgico. (C) Vista laterale del Caso 3 in VR sulla base delle misurazioni angolari effettuate durante l’intervento chirurgico. (D) Vista fluoroscopica laterale del Caso 3 catturata durante l’intervento chirurgico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Fascicolo supplementare 1: Per il protocollo è stato sviluppato un modello 3D di goniometri in formato file STL. Fare clic qui per scaricare il file.

Discussion

La modellazione 3D è stata introdotta nei flussi di lavoro medici con l’avvento delle tecnologie di stampa 3D 2,3,4,6,7,9,11, ma la realtà virtuale offre nuove applicazioni della tecnologia 3D oltre un oggetto 3D fisico. Gli sforzi per replicare l’anatomia e gli scenari in un mondo virtuale consentono una pratica medica personalizzata sui singoli pazienti 1,2,3,4,9,11,13,16. Questo lavoro dimostra la capacità espansiva di creare nuove simulazioni pre-chirurgiche in un mondo digitale con il minimo sforzo.

In tutto il protocollo presentato, ci sono diversi passaggi che sono fondamentali per il successo di un caso. Il fattore più importante per produrre risultati adeguati con una risoluzione adeguata è l’acquisizione della corretta diagnostica per immagini. Il processo presentato non richiede scansioni aggiuntive sul paziente, utilizzando la scansione CTA standard programmata per ogni caso di aneurisma intracranico. La maggior parte degli scanner memorizza le scansioni per un breve periodo di tempo, a seconda del modello di scanner e del protocollo del sistema sanitario, consentendo al tecnico di imaging di caricare le fette sottili acquisite delle scansioni, in genere fette spesse meno di 1 mm spesso non vengono conservate per più di pochi giorni a causa delle dimensioni di archiviazione. Queste fette sottili consentono un maggiore dettaglio e l’inclusione di anatomie più piccole, come i vasi sanguigni. Dopo che la segmentazione ha avuto luogo, il controllo di qualità del medico deve essere completato per garantire che i modelli 3D generati rappresentino l’anatomia del paziente nel modo più accurato possibile nelle fasi successive. Il controllo di qualità di tutti i modelli dovrebbe far parte del processo di segmentazione, riducendo al minimo il potenziale di propagazione dell’errore per tutto il resto del protocollo. Il controllo di qualità include i bordi dei vasi sanguigni e la segmentazione dell’aneurisma separatamente dai vasi circostanti, in modo simile a come si presenterebbe con il contrasto. Il controllo di qualità con un medico è della massima importanza in quanto il medico detiene l’intera responsabilità per l’accuratezza dei modelli, soprattutto se i modelli devono essere utilizzati in ulteriori decisioni sul trattamento del paziente. In alcune circostanze, può essere fattibile o pratico per il medico completare da solo la fase di segmentazione.

Il prossimo passo importante del protocollo è mantenere l’allineamento del modello spaziale integrando lo strumento di misurazione del goniometro. Blender si è dimostrato uno strumento estremamente utile per questo passaggio in quanto consente la combinazione di più tipi di file STL in un unico file combinato con più livelli, ognuno dei quali è spazialmente allineato e può essere colorato o strutturato per una maggiore chiarezza. Inoltre, durante questa fase, viene aggiunto il goniometro STL in modo che i dati angolari possano essere raccolti in VR. Questo modello di goniometro è stato sviluppato specificamente utilizzando uno strumento di progettazione assistita da computer (CAD), SolidWorks. Sfruttando gli strumenti di quotatura ad alta precisione all’interno del software, è stato creato un arco con segni tic che indicano ogni 5° in tutti e tre gli assi. Il goniometro ha anche un mirino che denota il vero centro di quel modello e consente l’allineamento al centro dell’anatomia del paziente. C’è anche una grande barra all’interno del modello che indica (0,0) e deve essere allineata con il naso del paziente. Inoltre, è importante notare che questa operazione è stata eseguita manualmente e avrebbe potuto aumentare la percentuale di errore. L’allineamento è della massima importanza per garantire l’accuratezza di tutte le potenziali misurazioni angolari. Una volta allineato correttamente, il modello è pronto per la realtà virtuale, dove la registrazione del posizionamento del modello da parte del medico consente di determinare in futuro gli angoli a cui il modello è stato posizionato. Durante la registrazione, tutto ciò che si trova all’interno dello spazio virtuale viene registrato in riferimento l’uno all’altro, soprattutto il punto di vista del medico (POV) e i movimenti e le rotazioni delle modelle. Sfruttando appieno questa registrazione e la funzione di pausa, viene posizionato un bordo dritto dal punto di vista del medico attraverso il mirino del modello goniometrico e le misurazioni possono essere osservate in modo notevolmente simile all’uso di un goniometro reale.

Questa metodologia presenta alcune limitazioni. Una di queste limitazioni è che non esiste necessariamente un unico orientamento corretto per l’aneurisma quando lo si visualizza in fluoroscopia. Ciò ha portato a più tentativi di convalida semplicemente a causa dei diversi angoli di visione. Questa limitazione può essere vista come un possibile vantaggio dal punto di vista che con una maggiore familiarità che deriva dalla manipolazione del modello 3D, è possibile che il medico trovi una visione ottimale rispetto all’attuale metodo di determinazione degli angoli all’interno della sala operatoria. Un’altra potenziale limitazione di questo protocollo è che è possibile determinare un angolo di visione in VR che non sarebbe effettivamente possibile raggiungere per gli archi a C. Questa limitazione verrebbe presa in considerazione e conosciuta dal medico in VR in modo che le specifiche possano essere fatte se questo diventasse parte della pianificazione chirurgica. Un’altra limitazione, che dimostra l’importanza della fase di controllo della qualità, è che in alcuni casi, i vasi che sono distali dell’aneurisma, in realtà, non sono visti in modo così prominente nelle procedure di fluoroscopia come lo sarebbero se fossero inclusi nel modello in VR. Ciò può costringere il medico a prestare attenzione a un vaso che non sarebbe necessariamente d’intralcio durante la procedura in VR, portando alla generazione di un angolo di visione non ottimale in VR. Nella segmentazione è possibile segmentare la maggior parte dei vasi sanguigni e l’area di interesse; L’interventista potrebbe scegliere di passare da un modello di nave all’altro per assicurarsi che non ci siano navi aggiuntive nel loro angolo di visione, l’uso del contratto riduce al minimo anche questo rischio.

Lo sviluppo di un goniometro per modelli 3D e di un protocollo in grado di fornire misurazioni angolari su più assi all’interno della realtà virtuale ha un’immensa importanza e promette una vasta gamma di potenziali applicazioni. I vantaggi potrebbero rivelarsi molteplici, potenziando potenzialmente vari settori, dall’architettura e dall’ingegneria alla produzione e alle applicazioni militari. Tuttavia, come mostrato in questo protocollo, il suo vero potenziale brilla nell’ambito dell’assistenza sanitaria, direttamente all’interno delle parti di pianificazione chirurgica della cura del paziente. I chirurghi possono utilizzare questo strumento per valutare e pianificare meticolosamente tutti i tipi di procedure, essendo in grado di visualizzare e misurare gli angoli direttamente in VR. Questa tecnica è simile al lavoro svolto per il cateterismo cardiaco19. Un vantaggio diretto di conoscere particolari angoli prima della procedura è la significativa riduzione della necessità di una rotazione completa di 360 gradi durante la fluoroscopia, una tecnica di imaging comunemente impiegata durante la riparazione dell’aneurisma. Determinando gli angoli necessari per simulare la roadmap chirurgica virtuale, i chirurghi possono posizionare l’apparecchiatura in modo più accurato, riducendo così al minimo l’esposizione alle radiazioni del paziente. Ciò non solo contribuisce alla sicurezza del paziente riducendo al minimo i rischi associati all’esposizione alle radiazioni, ma semplifica anche la procedura chirurgica. Con la riduzione del tempo dedicato agli aggiustamenti fluoroscopici, le équipe chirurgiche possono operare in modo più efficiente, riducendo in ultima analisi i tempi della procedura.

I recenti progressi nella modellazione 3D e nella tecnologia della realtà virtuale consentono al personale medico di evitare il pensiero improvvisato durante gli interventi chirurgici, ottenendo una profonda comprensione dell’anatomia interna di un paziente prima dell’operazione in tutti i casi tranne quelli più urgenti 1,2,3,4,6,9,11,13,16 . Se il tempo lo consente, il personale medico dovrebbe sfruttare l’uso della segmentazione delle immagini mediche e della diagnostica VR per approfondire la comprensione del caso prima di posizionare il paziente sul tavolo operatorio. Ciò porterà in ultima analisi a una migliore comprensione di ogni singolo paziente, nonché a una riduzione dei tempi chirurgici e del tempo in anestesia.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Rivolgiamo un ringraziamento speciale al comitato di revisione per il loro feedback approfondito e alla redazione per i loro inestimabili commenti, la loro esperienza, la loro guida e il loro supporto durante tutto il processo di scrittura di questo articolo. Apprezziamo molto l’ambiente collaborativo promosso dai partner di missione di OSF HealthCare System, che ha migliorato la qualità di questo lavoro. Si ringrazia OSF HealthCare System per la fornitura di risorse e supporto e l’Advanced Imaging and Modeling Lab del Jump Simulation and Education Center per l’assistenza.

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

References

  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
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image