Miglioramento della comunicazione dei margini tumorali utilizzando la scansione e la mappatura 3D

Riepilogo

Viene proposto un nuovo metodo per la scansione 3D e la mappatura virtuale delle resezioni del cancro con l'obiettivo di migliorare la comunicazione tra il team multidisciplinare di cura del cancro.

Abstract

Dopo la resezione oncologica dei tumori maligni, i campioni vengono inviati alla patologia per l'elaborazione per determinare lo stato del margine chirurgico. Questi risultati vengono comunicati sotto forma di un rapporto di patologia scritto. L'attuale rapporto di patologia standard di cura fornisce una descrizione scritta del campione e dei siti di campionamento del margine senza alcuna rappresentazione visiva del tessuto resecato. Il campione stesso viene in genere distrutto durante il sezionamento e l'analisi. Questo spesso porta a una comunicazione difficile tra patologi e chirurghi quando il rapporto patologico finale viene confermato. Inoltre, chirurghi e patologi sono gli unici membri del team multidisciplinare di cura del cancro a visualizzare il campione di cancro resecato. Abbiamo sviluppato un protocollo di scansione 3D e mappatura dei campioni per rispondere a questa esigenza insoddisfatta. Il software CAD (Computer-Aided Design) viene utilizzato per annotare il campione virtuale mostrando chiaramente i siti di inchiostrazione e campionamento dei margini. Questa mappa può essere utilizzata da vari membri del team multidisciplinare di cura del cancro.

Introduzione

L'obiettivo della resezione oncologica è la rimozione completa del cancro con margini chirurgici microscopicamente liberi dalle cellule tumorali. Nel carcinoma della testa e del collo, lo stato del margine chirurgico è il più importante fattore di rischio patologico¹. Un margine chirurgico positivo aumenta il rischio di recidiva locale a 5 anni e di mortalità per tutte le cause del >90%². Nonostante i progressi della tecnologia medica e delle tecniche chirurgiche negli ultimi anni, i tassi di margine positivo nel cancro della testa e del collo rimangono elevati³. Per i tumori del cavo orale localmente avanzati, il tasso di margine positivo negli Stati Uniti è del 18,1%⁴.

Affinché i chirurghi della testa e del collo possano garantire una resezione oncologica completa riducendo al minimo l'interruzione delle strutture circostanti, viene eseguito il campionamento intraoperatorio dei margini tramite l'analisi della sezione congelata (FSA). La FSA fornisce una rapida consultazione patologica intraoperatoria che è ampiamente utilizzata ed è lo standard di cura 5,6,7,8,9. Il tessuto fresco viene congelato, tagliato sottilmente, posizionato su un vetrino e colorato per un'interpretazione immediata mentre il paziente è ancora sotto anestesia.

I campioni oncologici della testa e del collo presentano diverse sfide distinte nella valutazione accurata dello stato del margine, tra cui la complessità anatomica dei campioni di cancro della testa e del collo, la riserva minima nella regione della testa e del collo per un'ampia escissione data la vicinanza a strutture vitali come gli occhi, il viso e importanti nervi e vasi e i molteplici tipi di tessuto spesso presenti nel campione resecato (ad esempio, mucosa, cartilagine, muscoli, ossa)^10,11. Pertanto, un approccio all'analisi dei margini basato sui campioni richiede un maggiore livello di comunicazione tra chirurgo e patologo¹². Una conversazione faccia a faccia è spesso giustificata per garantire il corretto orientamento del campione e la discussione dei margini preoccupanti. Tuttavia, questo non è sempre sicuro o fattibile in quanto richiede che il chirurgo lasci la sala operatoria (OR) mentre il paziente rimane in anestesia generale o che il patologo lasci il laboratorio di patologia macroscopica, interrompendo il loro flusso di lavoro. Inoltre, potrebbe esserci un tempo di viaggio significativo tra la sala operatoria e il laboratorio di patologia o, in alcuni casi, il laboratorio di patologia potrebbe essere del tutto fuori sede.

Dopo la FSA, il campione oncologico viene fissato in formalina e processato formalmente attraverso l'inchiostrazione, il sezionamento e il campionamento dei margini. I vetrini vengono creati e interpretati al microscopio dal patologo per creare un referto patologico finale. Per la resezione complessa del cancro della testa e del collo, questo può spesso richiedere 1-2 settimane. Sfortunatamente, l'elaborazione del campione comporta comunemente la distruzione del campione di cancro resecato. Ciò può creare ulteriore confusione in quanto il rapporto patologico finale, le discussioni multidisciplinari del tumor board, la pianificazione della radioterapia adiuvante e la resezione nel contesto dei margini positivi, devono procedere senza una registrazione visiva del campione oncologico e della sua elaborazione patologica.

Per rispondere a questa esigenza clinica insoddisfatta, abbiamo sviluppato un protocollo di scansione 3D e mappatura dei campioni per migliorare la comunicazione tra chirurghi, patologi e altri membri del team multidisciplinare di cura del cancro.

Protocollo

Questo protocollo è stato eseguito presso il Vanderbilt University Medical Center sotto IRB#221597. I pazienti hanno fornito il consenso scritto per la scansione 3D ex vivo e la mappatura digitale del loro campione chirurgico prima dell'intervento chirurgico e l'aggiunta della loro scansione a un biorepository del modello di campione 3D. I criteri di inclusione erano pazienti di età pari o superiore a 18 anni con una neoplasia della testa e del collo sospetta o comprovata da biopsia sottoposti a resezione chirurgica. Le mappe 3D dei campioni sono state create in base alle preferenze del chirurgo e del patologo e alla disponibilità del personale.

Questo protocollo segue le linee guida dei comitati etici per la ricerca umana dell'Institutional Review Board (IRB#221597) presso il Vanderbilt University Medical Center. Tutti i soggetti hanno fornito il consenso informato scritto prima della partecipazione. Tutti i dati dei pazienti sono stati resi anonimi.

1. Configurazione dello scanner 3D

1. Identificare una workstation piatta di 3 x 2 piedi disponibile per la configurazione dello scanner. Assicurarsi che la workstation sia un ambiente buio in cui lo scanner è chiuso o che le luci nella stanza siano spente. In alternativa, eseguire la scansione 3D all'interno di una configurazione del carrello mobile, come illustrato nella Figura 1.
2. Posizionare il treppiede della fotocamera a tre gambe sulla postazione di lavoro piatta. Posizionare con cautela la fotocamera di scansione 3D nel treppiede. Inclinare la telecamera verso il basso verso la workstation con un angolo di 60°.
3. Collegare il cavo di alimentazione in due parti a una fonte di alimentazione esterna e al retro della fotocamera.
4. Posizionare il giradischi dello scanner a 1 piede davanti alla fotocamera 3D e alla configurazione del treppiede. Collegare il giradischi alla fotocamera utilizzando il cavo micro-USB.
5. Collegare la fotocamera al computer portatile utilizzando il cavo da fotocamera a USB. Vedere la Figura 2 per la configurazione etichettata.
   NOTA: Se il computer portatile non dispone di una porta USB, potrebbe essere necessario un adattatore USB esterno. Si consiglia l'uso di un mouse esterno.
6. Spegnere le luci nella workstation per calibrare lo scanner in base alle condizioni di illuminazione correnti.
7. Tenere premuto il pulsante di accensione sul retro della fotocamera finché non viene visualizzata una luce blu.
8. Aprire il software di acquisizione 3D sul desktop del computer. Centrare il giradischi nella croce proiettata dalla telecamera.
   NOTA: Assicurarsi che la fotocamera sia accesa e che le luci siano spente prima di aprire il software.

2. Manipolazione dei campioni

1. Ottenere il campione oncologico resecato dall'équipe chirurgica.
2. Sciacquare il campione per rimuovere il sangue o i coaguli in eccesso dalla resezione. Asciugare delicatamente.
   NOTA: Questo passaggio è molto importante per ottenere una scansione di alta qualità. Lo scanner 3D ha difficoltà a raccogliere i dati quando un campione è molto lucido o ha sangue residuo sulla superficie.
3. Posizionare il campione su una superficie piana e pulita.
4. Utilizzando la fotocamera di uno smartphone o una fotocamera digitale, è possibile ottenere immagini 2D di alta qualità del campione. Ottenere una fotografia della superficie anteriore del campione. Capovolgere il campione esattamente di 180° e ottenere una seconda fotografia della superficie posteriore del campione.

3. 3D scansione a seguito di resezione in blocco di un tumore solido

1. Posizionare un sottile foglio di plastica sulla piattaforma girevole dello scanner 3D per proteggere i punti di destinazione dai tessuti umani. Posizionare il campione sul foglio di plastica con la superficie anteriore rivolta verso l'alto.
2. Fare clic sull'applicazione software dello scanner 3D sul desktop del laptop.
3. Fare clic sull'icona dello scanner 3D sul lato destro dello schermo. Fare clic sul pulsante Nuovo lavoro .
4. Creare una nuova cartella, utilizzando una convenzione di denominazione di facile comprensione.
   NOTA: Raccomandazione per la convenzione di denominazione: AAAA-MM-DD_SPECIMENTYPE
5. Fare clic su Scansione texture. Lasciare vuota la sezione aperta del file dei marcatori globali .
6. Regolare tutte le impostazioni fisse nel menu sul lato sinistro dello schermo (Figura 3). Seleziona HDR disattivato. selezionare l'opzione ON per Con giradischi. Impostare la modalità di allineamento = Target codificati del giradischi, i passi del giradischi = 8, la velocità del giradischi = 10 e i giri del giradischi = Un giro.
7. Regolare la luminosità facendo scorrere la barra di scorrimento della luminosità verso destra per massimizzare l'esposizione (arrossamento) sulle superfici scure del campione, come mostrato nella Figura 3.
   NOTA: Cercare di massimizzare l'esposizione (arrossamento) sulle parti di colore scuro del campione (muscoli, tessuti molli) senza sovraesporre (troppo rosso) le parti di colore chiaro del campione (osso, denti).
8. Fare clic sul pulsante di riproduzione triangolare sulla barra degli strumenti a destra con l'etichetta Avvia scansione o premere la barra spaziatrice per avviare il primo ciclo di scansione. Attendere che la piattaforma completi tutte e otto le rotazioni (~4 min). Non toccare lo scanner o il giradischi durante questa fase.
9. Una volta completata, ruotare la scansione per vedere se ci sono dati di scansione acquisiti al di fuori dei punti verdi visualizzati sullo schermo o se ci sono artefatti evidenti. Una volta soddisfatto, fai clic sul segno di spunta sul lato destro della schermata di modifica per procedere alla metà successiva della scansione.
   1. Se viene rilevato un artefatto, premere Maiusc e utilizzare il cursore per trascinare un cerchio attorno all'artefatto al di fuori della scansione prevista. Cerca un cerchio rosso che appare intorno all'artefatto indesiderato. Fare clic sul pulsante Elimina dati nella barra degli strumenti a destra, indicato dall'icona di un bidone della spazzatura.
10. Usando i guanti, capovolgere il campione per esporre la superficie opposta. Regolare la luminosità in base alle esigenze e mantenere invariate tutte le altre impostazioni. Ripetere i passaggi 3.8-3.9.

4. Allineamento e mesh

1. Il programma tenterà di allineare automaticamente il campione. Se l'allineamento è accurato (raro), procedere al passaggio 4.4. Se l'allineamento è scarso (vedere la nota), continuare con il passaggio 4.2.
   NOTA: L'allineamento accurato è caratterizzato da un provino completamente formato senza spazi vuoti o sovrapposizioni sui lati. Le parti gialle rappresentano l'interno della scansione e l'allineamento ottimale mostra la minor quantità di giallo possibile.
2. Per l'allineamento manuale, premere il pulsante di allineamento indicato da un pezzo del puzzle sulla barra degli strumenti a destra.
3. Eseguire la registrazione incrociata a tre punti per allineare geometricamente le due scansioni 3D.
   1. Fare clic e trascinare un set di dati di scansione (Gruppo 1 e Gruppo 2) in ciascuno dei riquadri di allineamento. Posizionate il Gruppo 1 nella casella Fisso (Fixed ) e il Gruppo 2 nella casella Floated (Floated ).
   2. Utilizzare la funzione di clic con il pulsante destro del mouse per ruotare e posizionare le due metà in modo che un lato mostri l'esterno del campione (superficie scansionata in 3D) e l'altra metà mostri l'interno del campione (giallo). Orienta le due metà in modo che le sagome creino la stessa forma se sovrapposte. Utilizzare il pulsante di scorrimento centrale del mouse per ingrandire e rimpicciolire il campione.
   3. Identificare tre punti di riferimento chiari su ciascun set di dati di scansione da selezionare come punti di allineamento presenti su entrambi i set di dati.
      NOTA: Scegliere tre punti approssimativamente equidistanti l'uno dall'altro sui bordi del campione. Usa la topografia unica delle scansioni per scegliere questi punti.
   4. Premere Maiusc e fare clic con il pulsante sinistro del mouse per selezionare il primo dei tre punti di allineamento corrispondenti su ciascun gruppo di dati, come descritto in precedenza. Dopo la selezione facendo clic sui due punti corrispondenti, cercare un punto rosso che appare nelle posizioni corrispondenti scelte. Ripeti questo processo 2 volte e cerca che appaiano punti verdi per la seconda serie di punti di allineamento scelti e punti arancioni per la terza serie.
   5. Cercare il risultato dell'allineamento nel riquadro più grande sotto le due metà. Se la scansione è allineata correttamente (vedere NOTA nella sezione 4.1 per raccomandazioni sull'allineamento ottimale), procedere al punto 4.4. Per ripetere il processo di allineamento, procedere al passaggio 4.3.6.
   6. Per selezionare nuovamente i punti di allineamento, è sufficiente premere il tasto Ctrl + il tasto Z per annullare il lavoro precedente o fare clic sulla casella X nell'angolo in alto a destra di ciascun riquadro e tornare al passaggio 4.3.1.
   7. Eseguire questi passaggi fino a quando l'anteprima del risultato dell'allineamento non è accurata.
4. Seleziona il pulsante quadrato Ottimizzazione globale nella barra degli strumenti in basso a destra. Procedi attraverso le schermate di ottimizzazione, facendo clic sul pulsante Conferma ogni volta che viene richiesto.
5. Una volta completata l'ottimizzazione, seleziona il pulsante Modello mesh triangolare nella parte in basso a destra dello schermo.
6. Scegliere l'opzione del modello a tenuta stagna quando richiesto. Fare clic sull'opzione Dettaglio medio.
   NOTA: il rendering di un dettaglio elevato richiede molto più tempo e non è visivamente migliore di un dettaglio medio.
7. Utilizzare le barre di scorrimento visualizzate sul lato sinistro dello schermo per regolare la luminosità a 50 e il contrasto a 0 quando richiesto.
8. Fare clic sul pulsante Salva scansione nella barra degli strumenti in basso a destra. Mantenere il rapporto di scala al 100% per preservare tutte le dimensioni originali del campione.
9. Esportare il modello nei formati di file 3MF e OBJ e salvare il file all'interno della cartella creata all'inizio della scansione. Utilizzare la convenzione di denominazione descritta nel passaggio 2.3.

5. Pulizia

1. Usando i guanti, rimuovere il campione dal piatto rotante. Restituire il campione in modo sicuro al team di patologia.
2. Rimuovere il foglio di plastica e igienizzarlo con una salvietta. Rimettilo nella sua borsa.
3. Riposizionare il giradischi dello scanner e la fotocamera nei rispettivi slot nella confezione. Assicurarsi che la fotocamera sia protetta con un sacchetto di plastica o una scatola.
4. Scollegare tutti i cavi e riposizionarli nella confezione.
5. Pulire l'area di scansione con una salvietta igienizzante.

6. Mappatura virtuale dei campioni 3D

1. Quando il campione è pronto per l'elaborazione, impostare la workstation per lavorare a fianco del membro del team di patologia che eseguirà l'analisi del campione.
   NOTA: È utile utilizzare un supporto per computer rotante per consentire la mobilità e facilitare la comunicazione con il team di patologia.
2. Configurare il computer portatile e il mouse esterno sulla workstation. Aprire il software di progettazione assistita dal computer dal desktop del laptop per annotare virtualmente il modello 3D.
3. Fare clic sul pulsante Importa indicato dall'icona del segno più e importare il file 3mf salvato in precedenza della scansione grezza dal passaggio 4.9.
   NOTA: Questo software non dispone di una funzione di cancellazione ; consente all'utente di annullare il lavoro precedente solo premendo Ctrl Z. Tenere presente che l'utente non può tornare indietro e modificare o cancellare i contrassegni sull'esemplare una volta salvata la mappa.
4. Inchiostrazione virtuale
   1. Selezionare lo strumento pennello con l'impostazione delle dimensioni 15-30 per delineare i bordi di ciascuna area inchiostrata. Utilizzare la tavolozza dei colori per rappresentare graficamente ogni superficie inchiostrata utilizzando i colori di vernice software in concomitanza con i colori dell'inchiostro reale.
   2. Usa lo strumento pennello sull'impostazione delle dimensioni 35-45 per riempire ogni sezione inchiostrata con il colore corrispondente.
   3. Verificare con il prosettore che tutti i lati inchiostrati siano corretti e prendere nota dell'orientamento anatomico (anteriore, posteriore, mediale, laterale, profondo) di ciascun lato inchiostrato per la chiave.
5. Campionamento a margine
   1. Utilizzare lo strumento pennello con l'impostazione delle dimensioni 20-25 per creare diagrammi perpendicolari e radere i margini (en face), distinti utilizzando la codifica a colori.
      NOTA: Ad esempio, utilizzare il bianco per indicare i margini perpendicolari e il fucsia per indicare i margini di rasatura.
   2. Etichettare ogni sezione campionata con il numero o la lettera che corrisponde alla cassetta all'interno della quale è posizionata ogni sezione.
6. Tagli piani
   1. Per qualsiasi taglio piano (ad esempio, il pan di pane taglia completamente il campione), selezionare lo strumento Taglio piano dalla barra degli strumenti a sinistra. Seleziona Mantieni entrambi nella barra degli strumenti in alto a sinistra.
   2. Disegna il piano taglia il provino esattamente come ha fatto il prosettore. Assicurarsi che i tagli siano corretti e quindi fare clic su Accetta.
7. Completamento ed esportazione della mappa dei campioni 3D
   1. Confermare con il prosettore per verificare l'accuratezza della mappa del campione 3D completata. Rivedi eventuali discrepanze e finalizza la mappa.
      NOTA: Nella Figura 4 è mostrato un esempio di mappa dei campioni completa.
   2. Nella barra degli strumenti superiore, fai clic su File | Salva per salvare la mappa dei campioni. Fare clic su File | Esporta | selezionare. 3mf per esportare il file come file .3mf.

7. Creazione di un video distribuibile

1. Aprire il software di presentazione dal desktop del laptop.
2. Assegnare al file di diapositiva il nome corrispondente del campione mappato.
3. Inserire le immagini 2D scattate del campione e disporle su un lato del vetrino.
4. Seleziona Inserisci dalla barra degli strumenti in alto. Fare clic sull'icona della paperella di gomma e selezionare Inserisci modello 3D.
5. Importare il file .3mf della scansione grezza generata nel passaggio 4.9 e il file .3mf del campione mappato generato nel passaggio 6.7.2.
6. Disporre i modelli 3D con la scansione grezza e la scansione mappata fianco a fianco. Disponi i due modelli in modo che abbiano lo stesso orientamento/allineamento e abbiano le stesse dimensioni.
7. Fare clic su Animazioni nella barra degli strumenti superiore | selezionare il modello #1 | selezionare Aggiungi animazione | Giradischi | Cambia la durata in 10 s | seleziona Al clic.
8. Selezionare il modello #2 e ripetere il passaggio 6.8 per la scansione mappata, ma nell'ultimo passaggio selezionare Con precedente invece di Al clic.
9. Selezionare il modello #1 e ripetere il passaggio 6.8, ma selezionare Opzioni effetto, modificare la direzione del giradischi in Su e selezionare Dopo precedente.
10. Selezionare il modello #2 e ripetere il passaggio 7.9, ma nell'ultimo passaggio selezionare Con precedente.
11. Selezionare il riquadro Animazione e fare clic su Riproduci tutto per verificare che le scansioni ruotino contemporaneamente nella stessa direzione.
12. Per creare un video condivisibile, fai clic su File | Esporta | Creazione di video | Seleziona un file di medie dimensioni per esportare un video .mp4 da condividere via e-mail o integrare in una presentazione.
    NOTA: Un esempio del video finale è mostrato nella Figura 5.

Risultati

Da ottobre 2021 ad aprile 2023, 28 campioni oncologici della testa e del collo sono stati scansionati in 3D e mappati virtualmente secondo questo protocollo. Questi risultati sono stati pubblicati^{in precedenza 13}. La maggior parte dei campioni chirurgici era carcinoma a cellule squamose (SCC) (86%, n = 24), con i sottositi anatomici più comuni che erano la cavità orale (54%, n = 15) e la laringe (29%, n = 8).

In tutti i casi, le mappe dei campioni sono state condivise...

Discussione

Tradizionalmente, non esiste una rappresentazione visiva di un campione di cancro resecato. L'elaborazione patologica spesso distrugge il campione. Il lavoro precedente ha dimostrato la fattibilità e l'utilità della scansione 3D di campioni oncologici seguita dall'annotazione virtuale dei modelli per creare mappe di campioni 3D rappresentative dell'elaborazione patologica 13,14,15. Ciò fornisce al team di assistenza multidisc...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Computer Aided Design Software	MeshMixer		Virtual annotation software for 3D models
Digital Camera or Cameraphone	iPhone		May use iPhone camera or any digital camera available
EinScan SP V2 Platinum Desktop 3D Scanner	Shining 3D		3D scanner hardware
ExScan Software; Solid Edge SHINING 3D Edition	Shining 3D		3D capture software included with purchase of 3D Scanner
External Mouse	Microsoft
Laptop Computer	Dell XP5	00355-60734-40310-AAOEM	Laptop Requirements: USB: 1 ×USB 2.0 or 3.0; OS: Win 7, 8 or 10 (64 bit); Graphic Card: Nvidia series; Graphic memory: >1 G; CPU: Dual-core i5 or higher; Memory: >8 G
Microsoft Office Suite	Microsoft
Mobile Presentation Cart	Oklahoma Sound	PRC450
PowerPoint Software	Microsoft Office		Presentation software
Sit-Stand Mobile Desk Cart	Seville Classics
USB-c Device Converter	TRIPP-LITE	U442-DOCK3-B	Necessary only if laptop does not have USB