Er wordt binnen het ziekenhuis steeds meer gebruik gemaakt van virtual reality (VR). Een mogelijk toepassing van VR is binnen de plastische chirurgie, waar het onder andere kan worden ingezet in de preoperatieve planning. Hiermee kunnen artsen bijvoorbeeld bloedvaten driedimensionaal in beeld brengen om een borstreconstructie voor te bereiden. Voor mijn afstudeeronderzoek onderzocht ik wat artsen de toegevoegde waarde vinden van VR in de preoperatieve planning.
Introductie
In de afgelopen jaren zijn er in verschillende (chirurgische) velden toepassingen voor het gebruik van virtual reality (VR) in de klinische praktijk opgedoken (1-4). De toepassingen hebben betrekking op verbetering van de patiëntervaring, het trainen van specialisten in opleiding en het visualiseren van preoperatieve planningen in een driedimensionale (3D) omgeving. In het veld van de plastische chirurgie wordt tijdens operaties veel gebruik gemaakt van vrije lappen, een stuk weefsel met bijvoorbeeld huid, vet en de voedende bloedvaten. Bij patiënten die een borstamputatie (mastectomie) hebben ondergaan, is een borstreconstructie met een dergelijke vrije lap een van de reconstructieve opties. Hierbij wordt lichaamseigen huid- en vetweefsel van de onderbuik naar de borstwand ter hoogte van het mastectomie-defect getransplanteerd, samen met de kleine voedende bloedvaten (perforatoren) van het diepe inferieure epigastrische systeem (de DIEP lap). Deze perforatoren zijn van belang voor de bloed- en zuurstofvoorziening van het getransplanteerde weefsel, en daarmee een grote factor in overleving van de lap. De perforatoren voorzien de huid en het onderhuidse vetweefsel van bloed en lopen vervolgens door de rechte buikspier. Voor de operatie worden de vaten door de buikspier vrijgeprepareerd en is het van groot belang dat er hier zo min mogelijk schade wordt toegedaan. Voorafgaand aan de operatie worden deze perforatoren hierom standaard in beeld gebracht met een CT (CTA scan) of MRI (MRA scan). De perforatoren worden in een tweedimensionale (2D) visualisatie beoordeeld op diameter, intramusculair verloop door de rechte buikspier, locatie in de lap, herkomst van de perforator (mediaal of lateraal in de buikspier), de subcutane vertakking en de veneuze connectie (5, 6). Op basis van deze planning wordt de meest geschikte perforator voor de borstreconstructie gekozen en afgetekend op de buik van de patiënt. Vervolgens is het aan de chirurg om een mentale 3D reconstructie van de afgebeelde vaten te maken om ze intraoperatief zo snel en goed mogelijk te kunnen lokaliseren en vrijprepareren. Er zijn voor deze toepassing binnen de plastische chirurgie een aantal initiatieven geweest voor een 3D visualisatie van de buikwandvaten voor de planning, in de vorm van een augmented reality (AR) projectie (7), een 3D-geprinte mal van de perforatoren (8, 9) en 3D volumerendering van abdominale CTA’s (10, 11). Deze studie onderzoekt de toegevoegde waarde van een 3D visualisatie van de buikwandvaten voor preoperatieve planning van DIEP lap borstreconstructies, in vergelijking met een conventionele visualisatie op een 2D scherm.
Methodologie
Beeldverwerking
Voor deze studie zijn drie abdominale CTA scans gebruikt, verkregen als onderdeel van het reguliere preoperatieve protocol. Er zijn drie verschillende visualisatie omgevingen gebruikt: een conventionele CTA op een 2D scherm, een 3D model van de rechte buikspier en de perforatoren op een 2D scherm en een 3D model in een VR omgeving. De 3D modellen van de rechte buikspier en de perforatoren zijn semi-automatisch verkregen. Figuur 1 toont het beeldverwerkingsproces. Een initiële segmentatie van het intramusculaire verloop is verkregen middels een drempelwaarde. De initiële segmentaties zijn manueel aangepast. De subcutane vertakkingen waren niet duidelijk genoeg te onderscheiden van het vetweefsel van de buik voor gebruik van een drempelwaarde en zijn daarom manueel gesegmenteerd. Er zijn 3D modellen gemaakt van de segmentaties en voor de VR visualisaties zijn een model van de rechte buikspier en de perforatoren geëxporteerd als NIFTI (Neuroimaging Information Technology Initiative (nii.gz)) files.
Software
De conventionele CTA en het 3D model op een 2D scherm zijn bekeken met de 3DSlicer software (www.slicer.org). Bij de conventionele CTA was het mogelijk was om door de slices te scrollen in het axiale en sagittale vlak te scrollen en het 3D model kon in iedere richting geschaald en geroteerd worden. Het VR model werd gevisualiseerd met de CT VR software van MedicalVR (www.medicalvr.eu/nl), in een HP Reverb G2 VR headset.
Kwalitatieve pilot studie
Er is een kwalitatieve pilot studie uitgevoerd op de afdeling Plastische, Reconstructieve en Handchirurgie van het Erasmus MC, onder de stafleden die vaak DIEP lap reconstructies uitvoeren en artsen in opleiding tot specialist (AIOS). De deelnemers zijn gevraagd om de verschillende visualisatie omgevingen (2D, 3D op 2D scherm en 3D in VR) te gebruiken zoals ze zouden doen in voorbereiding op een enkelzijdige DIEP lap reconstructie. Er zijn drie verschillende scans gebruikt, één per visualisatie omgeving. De deelnemers zijn gevraagd om in iedere omgeving ‘de meest geschikte’ perforator te kiezen en na afloop een vragenlijst in te vullen. De vragenlijst bestond uit drie componenten: vragen over de zichtbaarheid en beoordeelbaarheid van de perforator eigenschappen, een aangepaste Usability, Satisfaction en Ease of Use (USE) score met 16 vragen over de bruikbaarheid van het systeem en vragen over mogelijk toekomstig gebruik van 3D modellen voor preoperatieve planning van DIEP lappen.
Resultaten
Er waren tien deelnemers aan de experimenten, waarvan zes stafleden en vier AIOS. De antwoorden op de vragenlijsten werden gemeten op een zevenpunts-Likert schaal, met 1 ‘Strongly Disagree’ en 7 ‘Strongly Agree’. De resultaten van de perforator zichtbaarheid zijn gevisualiseerd in box plots (figuur 2). Een box plot visualiseert de verdeling van de data in kwartielen, waarbij de box de interkwartielafstand (IKA) toont en de uitlopers de laagste en hoogste waarde tonen, zonder de uitschieters in de data mee te nemen. Voor de diameter van het bloedvat is de IKA het hoogst en meest dicht opeen voor de conventionele CTA. Voor locatie in de lap en herkomst van de perforator is de IKA voor de conventionele planning hoog en zeer gecentreerd, vooral vergeleken met het 3D model in 2D omgeving. Intramusculair verloop is in de VR omgeving het hoogst gescoord en voor subcutane vertakking en connectie met andere vaten is de dataverdeling erg gespreid. Uit de antwoorden van de USE enquête scoorde de conventionele CTA het hoogst op ‘Usefulness’ en ‘Ease of Use’. De conventionele CTA en de VR omgeving scoorden even hoog op ‘Satisfaction’ en de VR omgeving scoorde het hoogst op ‘Ease of Learning’ (figuur 3). Uit de vragen over toekomstig gebruik van de 3D modellen voor preoperatieve planning van DIEP lap reconstructies bleek dat 70% van de deelnemers een 3D model in VR zou willen gebruiken in combinatie met conventionele planning en dat 20% het zelfs in plaats van conventionele planning ziet. 90% van de deelnemers was van mening dat het gebruik van een 3D model in VR de planning zou verbeteren. Uiteindelijk zou 50% van de deelnemers op dit moment nog voor conventionele planning kiezen, 40% voor het 3D model in 2D view en 10% het 3D model in VR als enige planning modaliteit.
Discussie
Reflectie
Het is interessant om te zien dat het 3D model in de VR omgeving relatief hoog is gescoord op zowel zichtbaarheid en beoordeelbaarheid van de perforator eigenschappen als op de USE enquête, maar dat de deelnemers op dit moment nog grotendeels zouden kiezen voor de conventionele planning. Dit kan verklaard worden door twijfels over de validiteit van de modellen en gebrek aan ervaring met de 3D omgeving. Voor toekomstig onderzoek is het interessant om te kijken naar een volledig automatische segmentatie van de perforatoren, wellicht op basis van MRA beelden in plaats van CTA, vooral met betrekking op het intramusculaire deel van de perforatoren. Er zou een gesegmenteerde CTA in 2D omgeving aan het studieprotocol toegevoegd kunnen worden en het meetprotocol zou o.a. uitgebreid kunnen worden met een test voor natuurlijk ruimtelijk inzicht.
Limitaties
Bij de interpretatie van deze resultaten moet rekening gehouden worden met een aantal limitaties van de studie. Zo zijn de gebruikte 3D modellen afhankelijk van manuele input van één onderzoeker en bestond ieder experiment uit één meetsessie per deelnemer. Tevens is er per omgeving één scan gebruikt, die mogelijk niet representatief is voor een patiëntpopulatie. De studiepopulatie was ook volledig afkomstig van dezelfde afdeling, wat mogelijk voor een bias kan zorgen en de deelnemers hadden geen ervaring met 3D modellen of een VR omgeving voorafgaand aan deze studie.
Conclusie
Deze studie heeft aangetoond dat er interesse is in het veld van de plastische chirurgie voor het gebruik van 3D modellen in een 2D of VR omgeving voor preoperatieve planning van DIEP lap borstreconstructies. De zichtbaarheid van perforator eigenschappen en de USE enquête werden met name hoog gescoord voor het 3D model in een VR omgeving, wat de mogelijkheden voor deze techniek binnen dit chirurgische veld highlight en een opening biedt voor verder onderzoek naar het gebruik van VR in de klinische praktijk.
Figuur 1
Figuur 1: Beeldverwerkingsproces. DICOM files worden in 3DSlicer geïmporteerd. Conventionele CTA scans worden in de 2D visualisatie omgeving van 3DSlicer beoordeeld. CTA scans worden semi-automatisch gesegmenteerd in de 2D visualisatie omgeving van 3DSlicer. Een segmentatie wordt getoond als 3D model in een 2D visualisatie omgeving. DICOM en segmentatie (NIFTI) bestanden worden geüpload in de CT VR software van MedicalVR en gevisualiseerd middels de HP Reverb G2 VR headset.
Figuur 2: Een box plot visualiseert de data verdeling van de perforator eigenschappen zichtbaarheidsscores in kwartielen. De y-as toont de scores op een Likert-schaal (1-7). De minimum en maximum (non-uitschieter) waarden worden gevisualiseerd door de bovenste en onderste gekleurde horizontale lijntjes. De box toont de interkwartielafstand (IKA) en de horizontale lijn in de box staat voor de mediaan. De losse punten in ‘Locatie in lap’ en ‘Perforator Herkomst’ zijn de uitschieters in de data, wat betekent dat het een enkele bijzonder lage of hoge waarde is in de dataverdeling.
Figuur 3: Een radar plot visualiseert de gemiddelde resultaten van de USE vragenlijst in de categorieën Usefulness, Satisfaction, Ease of Use en Ease of Learning.
Referenties
[1] Gehrsitz P, Rompel O, Schöber M, Cesnjevar R, Purbojo A, Uder M, et al. Cinematic Rendering in Mixed-Reality Holograms: A New 3D Preoperative Planning Tool in Pediatric Heart Surgery. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 2021;8:38.
[2] Huettl F, Saalfeld P, Hansen C, Preim B, Poplawski A, Kneist W, et al. Virtual reality and 3D printing improve preoperative visualization of 3D liver reconstructions—results from a preclinical comparison of presentation modalities and user’s preference. Annals of Translational Medicine; Vol 9, No 13 (July 2021): Annals of Translational Medicine. 2021.
[3] Sadeghi A, Bakhuis W, van Schaagen F, Oei F, Bekkers J, Maat A, et al. Immersive 3D virtual reality imaging in planning minimally invasive and complex adult cardiac surgery. European Heart Journal – Digital Health. 2020;1:62-70.
[4] Shirk JD, Thiel DD, Wallen EM, Linehan JM, White WM, Badani KK, et al. Effect of 3-Dimensional Virtual Reality Models for Surgical Planning of Robotic-Assisted Partial Nephrectomy on Surgical Outcomes: A Randomized Clinical Trial. JAMA Network Open. 2019;2(9):e1911598-e.
[5] Rozen W, Ashton M, Stella D, Phillips T, Grinsell D, Taylor G. The Accuracy of Computed Tomographic Angiography for Mapping the Perforators of the Deep Inferior Epigastric Artery: A Blinded, Prospective Cohort Study. Plastic and reconstructive surgery. 2008;122:1003-9.
[6] Uppal RS, Casaer B, Van Landuyt K, Blondeel P. The efficacy of preoperative mapping of perforators in reducing operative times and complications in perforator flap breast reconstruction. Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery. 2009;62(7):859-64.
[7] Wesselius TS, Meulstee JW, Luijten G, Xi T, Maal TJJ, Ulrich DJO. Holographic Augmented Reality for DIEP Flap Harvest. Plastic and Reconstructive Surgery. 2021;147(1).
[8] Chae MP, Hunter-Smith DJ, Chung RD, Smith JA, Rozen WM. 3D-printed, patient-specific DIEP flap templates for preoperative planning in breast reconstruction: a prospective case series. Gland Surgery; Vol 10, No 7 (July 2021): Gland Surgery. 2021.
[9] Jablonka EM, Wu RT, Mittermiller PA, Gifford K, Momeni A. 3-DIEPrinting: 3D-printed Models to Assist the Intramuscular Dissection in Abdominally Based Microsurgical Breast Reconstruction. Plastic and Reconstructive Surgery – Global Open. 2019;7(4).
[10] Fitoussi A, Tacher V, Pigneur F, Heranney J, Sawan D, Dao TH, et al. Augmented reality-assisted deep inferior epigastric artery perforator flap harvesting. Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery. 2021;74(8):1931-71.
[11] Gacto-Sánchez P, Sicilia-Castro D, Gómez-Cía T, Lagares A, Collell T, Suárez C, et al. Use of a Three-Dimensional Virtual Reality Model for Preoperative Imaging in DIEP Flap Breast Reconstruction1. Journal of Surgical Research. 2010;162(1):140-7.
