Dokunulabilir Organlar – Tıbbi 3D Modellerle 3D Basılı Organ Modellerinin VR İle Etkileşiminin Tanıtılması
GİRİŞ
MRI (manyetik rezonans görüntüleme) ve CT (bilgisayarlı tomografi) gibi tıbbi görüntüleme, çok miktarda 3D ve 2D veri üretir. Bu görüntüler modern tıpta tanı ve ameliyat öncesi planlama için çok önemli bilgiler içerir ve cerrahlara yeni ve karmaşık tedavilerde yardımcı olur. Ancak, bu görüntülerle etkileşime girerken, bunun yanı sıra, çoğunlukla fare ile 2D ekranda gerçekleşir. 3D ekran veya sanal gerçeklik (VR) ortamı durumunda soyut hareketler veya işleyiciler kullanılır. Ancak cerrahlar ve doktorlar, günlük işlerinde dokunsal duyumlarına ve görsel düşünmelerine çok güveniyorlar ki her şeyi birbiriyle ilişkilendirmek için bu gereklidir. Bildikleri ve resimlerde gördükleri ile gerçek durumları ellerinde eşleştirmek önemli bir yetenektir. Gerçek duruma en iyi şekilde hazırlanmak için, cerrahlar müdahalelerini planlıyorlar ki bu da karar vermede kritik bir aşama. Araştırmalar, bu aktivitenin uzmanlık seviyesine bağlı olduğunu göstermektedir. Cerrahinin özel koşullarında cerrahlar, hedefleri ile hastanın anatomisi olan vücudunu düzenleyen biyolojik yasalar arasındaki (potansiyel) çakışmalarla başa çıkmak zorunda kalmaları ders kitaplarından farklı olabilir. Bu nedenle, önceden mevcut tüm görselleştirme olanaklarını kullanarak bireysel hasta hakkında daha iyi bilgi edinmek, müdahale sırasında potansiyel olarak kritik durumları ele almak için önemlidir.
3D baskı yaklaşık 20 yıldan beri yükselmekte olduğundan, cerrahlara ameliyathanede yaşayacakları ile eşleşen bir etkileşim cihazı vermeyi hedefliyoruz. Biz görüntü verilerine dayanarak organı modelini çıktısını ve 3D modeli, ek bilgiler ve ham görüntüler için bir sanal gerçeklik gözlüğü ile entegre olacak. Cerrahlar, organ modelini ve elleri izlemek için bir izleme çerçevesi kullanarak, modelle doğal olarak etkileşime girebilecekler. Örneğin, modeli çevirerek, tuşuna basarak veya işaret ederek. Böylece kendilerini özel durum hakkında bilgilendirebilecekler. Bu yaklaşımın potansiyelini araştırmak için fikir ve gereklilikleri tartışmak üzere yerel bir üniversite hastanesinden beş deneyimli vekil cerrahı olan bir odak grubu yürütüyoruz. Karaciğeri örnek olarak tümörlerle kullanıyoruz. Cerrahlar, yaklaşımda büyük bir potansiyel görmekte ve yalnızca görüntü verilerine dayanarak görsel düşünmeyi zorlaştıran karmaşık iç yapısı nedeniyle, özellikle karaciğer için faydalı olduğunu belirtmektedirler.
İLGİLİ ÇALIŞMA
Araştırmacılar, tıbbi görüntü verilerini göstermek için sanal ortamların kullanımını araştırdı. Bir örnek olarak, Reinschluessel ve ark. sanal ortamda bir ekranda gösterilen 2D görüntülerle etkileşime geçmek için farklı hareketleri değerlendirdiler. King ve ark. MRI ve CT taramalarının 2D görüntülerinin sanal alanda tam görüş alanında gösterildiğini ve böylece aynı anda daha fazla görüntünün karşılaştırılmasını sağladı. Etkileşim yöntemi olarak bir Gamepad denetleyicisi kullandılar. Benzer bir yaklaşım, Sousa ve arkadaşları tarafından radyologlar için sanal bir okuma odası geliştirdiklerinde, görüntüler arasında gezinmek için kızılötesi kullanan bir masaya “dokunma” imkânı sağladı. Reitinger ve diğ. bir adım daha ileri gitti ve çekilen görüntülere dayanarak VR’de bir 3D modelin araştırılmasına izin verildi ve ayrıca bir cerrahi planlama seçeneği eklendi. Keşif ve planlama, “Giriş Aygıtı Ra’nın Gözü” tarafından yapıldı.Bu örneklerin hepsi yaygındır, hepsi görüntüleri veya modeli keşfetmek için vücut hareketlerini veya bir cihazı kullanması gerekir. Tıpta 3D baskı kullanımı 2000’den beri artmaktadır. Martelli ve ark. 2005-2015 yılları arasında %71,5’inin bunu anatomik modeller üretmek için kullandığını gösterdi. Bildirilen en önemli avantaj ameliyat öncesi planlamada daha iyi (%48,7) ve ameliyathanede zaman kazandırdığı (%32,9) idi. 3D baskı pahalı bir çaba olduğu için, Witowski ve ark. tarafından yayınlandığına göre, daha uygun maliyetli hale getirme çabaları vardır. 3D basılı organ modellerini kullanmanın bir örneği Zein ve diğ. Anatomik yapıya dayanarak potansiyel olarak uygun olmayan hastaları keşfettiklerinden veya herhangi bir anomaliden haberdar olduklarından emin olmak için bir nakil planlaması için 3D basılı karaciğerleri veya karaciğerin bölümlerini kullandılar. Amaçları, asıl ameliyat sırasındaki komplikasyonları azaltmaktı. Bu ekstra bilgi, Morineau ve diğ. Uzmanın ameliyatta kritik durumlarla başa çıkma stratejisinin bilgi temelli olduğunu gösterdi. VR, kullanıcıların gördükleriyle ilgili “gerçekçi” hissini özlüyor, ancak, görüntü verilerindeki ve içindeki önemli bilgileri göstermek için çeşitli seçenekler sunar. 3D baskılar yalnızca resimlerin seçilen bir görünümünü gösterir ve daha fazla görüntüleme seçeneği sunmaz. Bu nedenle, cerrahın bilgisini arttırmak için dokunsal algı ve VR’ın zengin görselleştirme olanaklarına uyması için her iki yöntemi birleştirmeyi hedefliyoruz.
YÖNTEM & KATILIMCILAR
Yerel bir üniversite hastanesinden beş hekimle odak grubu oluşturduk. Uzmanlar bir baş hekim (P1), iki baş asistan (P2, P3) ve içsel cerrahi bölümünün iki asistanı (P4, P5) idi. Fikrimizi üç yaklaşım kullanarak sunduk:
- HTC VIVE (https: //www.htcvive.com/) ve denetleyicileri kullanan bir VR uygulaması (bkz. Şekil 1)
- Bir tümör ve kan damarları ile gerçek bir karaciğerin katı şeffaf 3D baskısı (bakınız Şekil 2 – ölçek yaklaşık 1: 4)
- Dokunsal özellikleri tartışmak için farklı yumuşaklıkta altı malzeme sondası (bkz. Şekil 3)
VR ortamında, 3D model olarak basılan aynı karaciğer modelini kontrol cihazlarından birine ekledik. Doktorlar, kumandayı çevirerek modeli her yönden inceleyebilirler. İkinci kontrolör, modeli açıklamak için basit bir çizgi çizme aracı ile donatılmıştır. Doktorlar bu görüşü tartışmadan önce ilk fikri kafasında kıvılcım yapmak için kullandılar. Ayrıca, Vive kontrolörü yerine VR’deki görüşü kontrol etmek için 3D baskılı bir model kullanacaklarını açıkladık. Model gerçekçi boyutta olmadığı için, temel sorulardan biri hangi boyda olmasını istedikleriydi. Ek olarak, malzeme problarını kullanarak yumuşaklık açısından malzeme özellikleri istedik. Ameliyatı hazırlamak için bilgi edinmek merkezi odak noktası olduğundan, 3D baskıda ve VR’de görselleştirmenin temel parçaları olanlarla ilgilendik. İlgili sorular planlama adımları ve türetilmiş planlama özellikleri bu konuyla ilgiliydi.
SONUÇLAR&TARTIŞMA
Odak grubun tartışması tematik analiz kullanılarak kaydedildi ve analiz edildi. Üç tema belirledik: uygulama ve etkileşim, organ görselleştirme ve dokunsal özellikler.
Uygulama ve Etkileşim: Bu tema, cerrahlar tarafından tartışıldığı gibi iki ana uygulama alanını özetlemektedir: cerrahi planlama ve eğitim. Detaylı görselleştirmeyle birlikte olan dokunsal model, cerrahlara cerrahi öncesi uzaysal ilişki için önemli bir his verebilir ve bir rezeksiyon hacmini planlamak için kullanılabilir. Bunun için katılımcılar, kaldırılacak alanları işaretleme, modeli daha ayrıntılı görünümler için farklı boyutlara ölçeklendirme ve farklı kapları gizleme gereğini dile getirdiler. Cerrahlar, aracı birden fazla doktor arasında daha kesin tartışmalar için kullanma potansiyeli olduğunu da gördüler. Odak grubu sırasındaki gözlemler, modeli bir kişinin eline çevirmenin ve parmakla işaret etmenin meslektaşlara özel parçaları göstermek için kullanıldığını gösterdi. Cerrahlar, dijital olarak planlanan bir ameliyatın cerrahi hemşire ve diğer personeli işlem hakkında bilgilendirmek için otomatik olarak kısa bir film çekmek için kullanılabileceğini öne sürdüler. Tartışılan ikinci uygulama, cerrahların eğitimi için farklı görselleştirmelere sahip dokunsal modellerin kullanılmasıdır. Araç dokunsal hissi ile görüntü verileri arasındaki bağlantıyı öğrenme imkanı sağlayabilir.
Organ Görüntüleme: Tüm hekimler için, ameliyatı doğru planlamak için tümörler ve damarlar arasındaki mesafe ve mekansal ilişkiyi doğru algılamak en önemlisidir. Küçük damarların daha az önemli olduğu düşünülürken ana damarlar, ameliyat için kritik öneme sahip oldukları için ayrıntılı olarak görselleştirilebilecek olanlardır. Cerrahinin planlanması için cerrahlar, standart renk şemalarını temel alan renklerle vurgulanan, şeffaf bir organ ve damarların bulunduğu soyut bir görselleştirmeyle ilgilendi. Ayrıca, yakın çevredeki yapıların mekansal oryantasyon için görselleştirilmesiyle ilgilendiler. Eğitim amacıyla iki farklı görselleştirme istenmiştir: soyut bir görselleştirme ve gerçekçi bir görselleştirme. Özet, esas olarak, organdaki yapıların mekansal düzenini öğrenmek için cerrahi planlamada kullanılmalıdır. Gerçekçi görselleştirme, kullanıcıları modeli keşfetmek için dokunsal duyularını kullanmaya zorlamayı amaçlamaktadır. Hem eğitim hem de planlama senaryolarında, CT / MRT görüntülerini modelle birlikte gösterebilmemiz istendi.
Dokunsal Özellikler: Cerrahlar modelin büyüklüğünü tartıştılar, çünkü kan damarlarının ve bir tümörün pozisyonunun gerçekçi bir şekilde değerlendirilmesi için gerçek boyut en uygun olacaktı. Fakat model aynı zamanda bir etkileşim aracı olduğu için, sunulan örnekte karaciğerin gerçek büyüklüğünün çok büyük olabileceği ve aynı zamanda çok ağır olacağı konusunda da anlaşmaya vardılar. Eline tam oturan bir modeli tercih ederlerdi. Cerrahların bir fikri, özellikle de daha az karmaşık olan durumlarda, malzeme tasarrufunda etkileşim için standart organ modellerini kullanmak için hasta bireysel 3D baskılarını kullanmaktı. Tüm doktorlar, modelin oryantasyon için farklı dokunsal işaretlere sahip olması gerektiğine karar verdiler (örneğin kemik bağ dokusu). Materyal yumuşaklığı için cerrahlar, akıcı bir materyal yumuşaklığı gradyanı ile çok ilgilenmiyorlardı, aksine farklı türdeki tümör varlıkları için farklı materyal yumuşaklığıyla ilgileniyorlardı. Bunun nedeni, gerçek organın önceden var olan koşullarının genel yumuşaklığını değiştirebilmesidir, bu nedenle eşleştirilmesi gereken standart bir yumuşaklık yoktur. Tüm cerrahlar, müdahaleleri tartışmak ve planlamak için VR ile birlikte 3D baskılı bir model kullanma fikri konusunda istekliydi. Literatürün önerdiği gibi, cerrahlar 3D model kullanarak daha iyi mekansal algıların faydasını vurguladılar. Modelle etkileşimlerine ve eldeki modeli nasıl tartıştıklarına dayanarak, bu görselleştirme ve etkileşimin bu şekilde uzmanlar arasında alışverişi teşvik ettiği açıktı. Model katı olduğundan ve iç yapılara dışarıdan bakılarak ulaşılamayacağından, onlarla nasıl etkileşime gireceği sorusu ortaya çıkmaktadır. Sezgisel ve iyi bütünleşmiş bir çözüm bulmak için bu görüş bir sonraki tartışma ve çalışmalarda araştırılmalıdır. Cerrahlar ayrıca, modelin eğitim amacıyla nasıl daha fazla kullanılabileceğini ve planlama için kullanılan farklı görselleştirmelerin bu amaca nasıl yardımcı olabileceğini düşündü. Uygulama alanına bağlı olarak, 3B baskının görünümü için tercihler farklılık gösterebilir, Şekil 2’de gösterilen şeffaf bir model eğitim amaçlı olduğu kadar önemli değildir. Son olarak, cerrahlar rezeksiyonlarla ilgili önemli kararları planlama aşamasına geçirme potansiyelini gördüler. Mevcut iş akışında, neyin kaldırılması gerektiğine dair karar ameliyat sırasında verilir.
Burada sunulan olasılıklarla, karar daha önce verilebilir ve bu nedenle ameliyat süresini veya ameliyat gerekliliğini azaltabilir ve böylece hayatta kalma oranını artırabilir.
Sonuç olarak;
Beş cerrahtan oluşan bir odak grupta, 3B basılı organ modellerinin VR’deki etkileşim planlamasının cerrahi planlama ve eğitimi için olasılıklarını değerlendiriyoruz. Cerrahlar yaklaşımı oldukça faydalı olarak değerlendirdiler ve uzaysal ilişkileri daha kolay kavramanın avantajını vurguladılar ve bu da ameliyatın planlama aşamasını büyük ölçüde geliştirdi. Bundan sonraki adımlar, burada sunulan araştırmada bildirildiği gibi, VR ortamı için bir etkileşim aracı olarak 3B basılı bir organ tasarlamak olacaktır. 3D baskıyı VR ile birleştirme fikrini daha da araştırmak için cerrahlarla kullanıcı çalışmaları yapacağız.
Çeviren ve Yazan : Hilal Sena TAŞÇI
Kaynak makale :
