Görüntüleme ve Sanal Gerçeklik Kullanarak Hassas Cerrahi için Hastaya Özel Yaklaşımlara Öncülük Etmek
Summary
Endovasküler tedavideki gelişmeler, karmaşık açık cerrahi prosedürlerin yerini kapak replasmanı ve anevrizma onarımı gibi minimal invaziv seçeneklerle değiştirmiştir. Bu makale, nöro-girişimsel kateterizasyon laboratuvarı prosedür planlaması için C-kol konumlandırma, açı ölçümleri ve yol haritası oluşturmaya yardımcı olmak için üç boyutlu (3D) modelleme ve sanal gerçekliğin kullanılmasını önermekte ve prosedür süresini en aza indirmektedir.
Abstract
Kompleks vasküler anomalilerin endovasküler tedavisi, açık cerrahi prosedürlerin riskini minimal invaziv endovasküler prosedürel çözümlerin yararına kaydırır. Karmaşık açık cerrahi prosedürler, pulmoner ve aort kapak replasmanı ve serebral anevrizma onarımı gibi sayısız durumun tedavisi için tek seçenekti. Bununla birlikte, kateterle verilen cihazlardaki ve operatör uzmanlığındaki gelişmeler nedeniyle, bu prosedürler (diğerleri ile birlikte) artık merkezi veya periferik ven veya arter yoluyla verilen minimal invaziv prosedürlerle gerçekleştirilebilir. Açık bir prosedürden endovasküler bir yaklaşıma geçme kararı, genellikle 3D Dijital Görüntüleme ve Tıpta İletişim (DICOM) görüntüleme veri kümelerini içeren çok modlu görüntülemeye dayanmaktadır. Laboratuvarımız bu 3D görüntüleri kullanarak patolojik anatominin 3D modellerini oluşturur ve böylece kateterizasyon laboratuvarı prosedürünün kritik bileşenlerini, yani C-kol konumlandırma, 3D ölçüm ve idealize edilmiş yol haritası oluşturmayı önceden planlamak için gerekli prosedür öncesi analize izin verir. Bu makalede, hastaya özgü patolojinin segmentlere ayrılmış 3D modellerinin nasıl alınacağı ve genelleştirilmiş C-kolu pozisyonlarının nasıl tahmin edileceği, 2D floroskopi projeksiyonlarıyla ilgili 3D yapıların kritik iki boyutlu (2D) ölçümlerinin nasıl ölçüleceği ve kateterizasyon laboratuvarı prosedürleri sırasında uygun C-kolu konumlandırmasına yardımcı olabilecek 2D floroskopi yol haritası analoglarının nasıl oluşturulacağı açıklanmaktadır.
Introduction
İntrakraniyal anevrizmaların tedavisi, nöro-girişimsel cerrahinin zorlu bir yönüdür ve optimal hasta sonuçlarını sağlamak için hassas cerrahi planlama gerektirir. Son yıllarda, sanal gerçeklik (VR) teknolojisi, cerrahlara sanal bir 3D ortamda sürükleyici, hastaya özel anatomik modellere erişim sağlayarak cerrahi planlamayı geliştirmek için umut verici bir araç haline geldi 1,2,3,4,5,6,7,8 . Bu makale, anevrizmaların tedavisi için cerrahi planlamaya yardımcı olmak için tıbbi görüntüleme ve segmentasyon, 3D modelleme, VR cerrahi planlama ve idealize edilmiş sanal yol haritası oluşturma kullanımı için kapsamlı bir protokol sunmaktadır.
Bu adımların kombinasyonu, doktorların kendilerini sanal bir ortama kaptırmalarına ve cerrahi bir prosedürden önce hastanın benzersiz anatomisi hakkında kapsamlı bir anlayış kazanmalarına olanak tanıyan sanal bir cerrahi planlama yaklaşımıyla sonuçlanır. Bu sürükleyici yaklaşım, cerrahların optimal konumlandırmayı keşfetmelerini ve çeşitli prosedür senaryolarını simüle etmelerini sağlar. Bu senaryoların kaydedilmesi, C-kol konumlandırma gibi gerçek dünyadaki cerrahi ekipmanların yerleştirilmesi hakkında fikir verebilir.
Konumlandırma açılarına ek olarak, 3D uzay için tasarlanmış ölçüm araçlarını kullanarak anatomiyi sanal ortamda ölçmek de mümkündür. Bu ölçümler, intrakraniyal anevrizma vakasında kullanılacak cihazın doğru boyutu ve şekli hakkında fikir verebilir9.
Bu protokol, cerrahi planlama sürecini geliştirmek için tıbbi görüntüleme, görüntü segmentasyonu, VR modeli hazırlama ve sanal cerrahi yol haritası oluşturmayı sorunsuz bir şekilde birleştiren kapsamlı bir süreç sunar. En son teknolojilerin bir kombinasyonunu kullanan bu protokol, ameliyathanede10 değerli zamandan tasarruf etmenin yanı sıra cerrahın güvenini ve karmaşık cerrahi vakaları anlamasını artırma fırsatları sunar 11,12,13.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D modelleme, 3D baskı teknolojilerinin ortaya çıkmasıyla tıbbi iş akışlarınatanıtıldı 2,3,4,6,7,9,11, ancak VR, fiziksel bir 3D nesnenin ötesinde 3D teknolojisinin yeni uygulamalarını sağlar. Anatomi ve senaryoları sanal bir dünyada çoğaltma çabaları, bireysel hastalar üzerinde kişiselleştirilmiş tıbbi uygulamalara izin verir 1,2,3,4,9,11,13,16. Bu çalışma, dijital bir dünyada minimum çabayla yeni cerrahi öncesi simülasyonlar yaratmanın geniş yeteneğini göstermektedir.
Sunulan protokol boyunca, bir vakanın başarısı için kritik olan birkaç adım vardır. Doğru çözünürlükte yeterli sonuç elde etmenin en önemli faktörü doğru tıbbi görüntülemenin elde edilmesidir. Sunulan süreç, her intrakraniyal anevrizma vakası için planlanan standart CTA taramasını kullanarak hasta üzerinde ek taramalar gerektirmez. Çoğu tarayıcı, tarayıcı modeline ve sağlık sistemi protokolüne bağlı olarak taramaları kısa bir süre için saklar ve görüntüleme teknisyeninin taramaların elde edilen ince dilimlerini yüklemesine olanak tanır, tipik olarak 1 mm’den daha az kalınlıktaki dilimler, depolama boyutu nedeniyle genellikle birkaç günden daha uzun süre saklanmaz. Bu ince dilimler, daha fazla ayrıntıya ve kan damarları gibi daha küçük anatominin dahil edilmesine izin verir. Segmentasyon gerçekleştikten sonra, oluşturulan 3D modellerin gelecekteki adımlarda hasta anatomisini mümkün olduğunca doğru bir şekilde temsil etmesini sağlamak için doktor kalite kontrolü tamamlanmalıdır. Tüm modellerin kalite kontrolü, segmentasyon sürecinin bir parçası olmalı ve protokolün geri kalanı boyunca hatanın yayılma potansiyelini en aza indirmelidir. Kalite kontrol, kan damarı sınırlarını ve anevrizmanın kontrastla nasıl ortaya çıkacağına benzer şekilde çevredeki damarlardan ayrı olarak bölümlere ayrılmasını içerir. Bir hekimle kalite kontrolü son derece önemlidir, çünkü hekim, özellikle modeller hastanın tedavisinin daha ileri karar vermesinde kullanılacaksa, modellerin doğruluğundan tüm sorumluluğu üstlenir. Bazı durumlarda, hekimin segmentasyon adımını kendisinin tamamlaması mümkün veya pratik olabilir.
Protokoldeki bir sonraki önemli adım, açıölçer ölçüm aracını entegre ederken uzamsal model hizalamasını korumaktır. Blender, birden çok STL dosya türünün, her biri uzamsal olarak hizalanmış ve daha fazla netlik için renklendirilebilen veya dokulu olabilen birden çok katmana sahip tek bir birleşik dosyada birleştirilmesine izin verdiği için bu adım için son derece yararlı bir araç olduğunu kanıtlamıştır. Ek olarak, bu adım sırasında, açı verilerinin VR’de toplanabilmesi için iletki STL eklenir. Bu açıölçer modeli, bilgisayar destekli tasarım (CAD) aracı olan SolidWorks kullanılarak özel olarak geliştirilmiştir. Yazılım içindeki yüksek hassasiyetli boyutlandırma araçlarından yararlanılarak, her üç eksende de her 5°’yi gösteren tik işaretli bir yay oluşturuldu. İletki ayrıca, bu modelin gerçek merkezini gösteren ve hastanın anatomisinin merkezine hizalanmaya izin veren artı işaretlerine sahiptir. Ayrıca model içinde (0,0) yazan ve hasta burnu ile aynı hizada olacak büyük bir çubuk vardır. Ayrıca, bunun manuel olarak yapıldığını ve hata yüzdesini artırabileceğini unutmamak önemlidir. Tüm potansiyel açı ölçümlerinin doğruluğunu sağlamak için hizalama son derece önemlidir. Düzgün bir şekilde hizalandıktan sonra model, modelin doktor yerleşiminin kaydedilmesinin, modelin yerleştirildiği açıların gelecekte belirlenmesine izin verdiği VR için hazırdır. Kayıt sırasında, sanal alandaki her şey, en önemlisi doktorun bakış açısı (POV) ve modellerin hareketleri ve rotasyonları birbirine göre kaydedilir. Bu kayıttan ve duraklatma özelliğinden tam olarak yararlanılarak, doktorun bakış açısından iletki modelinin artı işaretine düz bir kenar yerleştirilir ve ölçümler, gerçek bir iletki kullanımına oldukça benzer bir şekilde gözlemlenebilir.
Bu metodolojinin bazı sınırlamaları vardır. Böyle bir sınırlama, floroskopide görüntülenirken anevrizma için tek bir doğru yönelim olması gerekmemesidir. Bu, yalnızca farklı görüş açıları nedeniyle birden fazla doğrulama girişimine yol açtı. Bu sınırlama, 3D modelin manipüle edilmesinden gelen ek aşinalıkla, doktorun ameliyathane içindeki açıları belirlemeye yönelik mevcut yönteme kıyasla en uygun görünümü bulmasının mümkün olduğu perspektifinden olası bir fayda olarak görülebilir. Bu protokolün bir başka potansiyel sınırlaması, VR’de C-kollarının ulaşması gerçekten mümkün olmayan bir görüş açısı belirlemenin mümkün olmasıdır. Bu sınırlama VR’de doktor tarafından dikkate alınacak ve bilinecek, böylece cerrahi planlamanın bir parçası haline gelirse spesifikasyonlar yapılabilecektir. Kalite kontrol adımının önemini kanıtlayan bir diğer sınırlama, bazı durumlarda, anevrizmanın distali olan damarların, gerçekte, floroskopi prosedürlerinde, VR’deki modele dahil edildiğinde olacağı kadar belirgin bir şekilde görülmemesidir. Bu, doktoru VR’deki prosedür sırasında mutlaka yolda olmayacak bir damara dikkat etmeye zorlayabilir ve bu da VR’de optimal olmayan bir görüş açısının oluşmasına neden olabilir. Segmentasyonda, kan damarlarının çoğunu ve ilgilenilen alanı bölümlere ayırmak mümkündür; Müdahaleci, görüş açılarında ek gemi olmamasını sağlamak için gemi modelleri arasında geçiş yapmayı seçebilir, sözleşmenin kullanılması bu riski de en aza indirir.
Bir 3D model iletki ve VR içinde birden fazla eksende açı ölçümleri sağlayabilen bir protokolün geliştirilmesi büyük önem taşıyor ve çok çeşitli potansiyel uygulamalar vaat ediyor. Faydaların çok yönlü olduğu kanıtlanabilir ve potansiyel olarak mimarlık ve mühendislikten imalat ve askeri uygulamalara kadar çeşitli endüstrileri geliştirebilir. Bununla birlikte, bu protokolde gösterildiği gibi, gerçek potansiyeli sağlık hizmetleri alanında, doğrudan hasta bakımının cerrahi planlama bölümlerinde parlamaktadır. Cerrahlar, açıları doğrudan VR’de görselleştirip ölçerek her türlü prosedürü titizlikle değerlendirmek ve planlamak için bu aracı kullanabilir. Bu teknik, kalp kateterizasyonu için yapılan çalışmaya benzer19. Prosedür öncesi belirli açıları bilmenin doğrudan bir yararı, anevrizma onarımı sırasında yaygın olarak kullanılan bir görüntüleme tekniği olan floroskopi sırasında tam 360 derecelik bir dönüş ihtiyacındaki önemli azalmadır. Cerrahlar, sanal cerrahi yol haritasını taklit etmek için gereken açıları belirleyerek ekipmanı daha doğru bir şekilde konumlandırabilir ve böylece hastanın radyasyona maruz kalmasını en aza indirebilir. Bu, yalnızca radyasyona maruz kalmayla ilişkili riskleri en aza indirerek hasta güvenliğine katkıda bulunmakla kalmaz, aynı zamanda cerrahi prosedürü de kolaylaştırır. Floroskopi ayarlamaları için harcanan zamanın azalmasıyla, cerrahi ekipler daha verimli çalışabilir ve sonuçta daha kısa işlem sürelerine yol açar.
3D modelleme ve sanal gerçeklik teknolojisindeki son gelişmeler, en acil durumlar dışındaki tüm durumlarda ameliyattan önce hastanın iç anatomisi hakkında derin bir anlayış elde ederek sağlık personelinin ameliyatlar sırasında doğaçlama düşünmekten kaçınmasına olanak tanır 1,2,3,4,6,9,11,13,16 . Zaman kalırsa, sağlık personeli, hastayı ameliyat masasına yerleştirmeden önce vakayı daha iyi anlamak için tıbbi görüntü segmentasyonu ve VR teşhisinin kullanımından yararlanmalıdır. Bu, sonuçta her bir benzersiz hastanın daha iyi anlaşılmasına ve ayrıca ameliyat süresinin ve anestezi altında geçen sürenin azalmasına yol açacaktır.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
İnceleme komitesine anlayışlı geri bildirimleri için ve bu makalenin yazım süreci boyunca paha biçilmez yorumları, uzmanlıkları, rehberlikleri ve destekleri için editöre özel bir teşekkür ederiz. OSF HealthCare System’deki Misyon Ortakları tarafından teşvik edilen ve bu çalışmanın kalitesini artıran işbirlikçi ortamı çok takdir ediyoruz. Kaynak ve destek sağlayan OSF HealthCare System’e ve yardımları için Jump Simulation and Education Center’daki Gelişmiş Görüntüleme ve Modelleme Laboratuvarı’na teşekkür ederiz.
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).
