3D 스캐닝 및 매핑을 사용한 종양 가장자리의 통신 향상

요약

암 절제술의 3D 스캐닝 및 가상 매핑을 위한 새로운 방법은 다학제 암 치료 팀 간의 의사 소통을 개선하기 위해 제안되었습니다.

초록

악성 종양의 종양학적 절제 후 검체는 수술 마진 상태를 결정하기 위한 처리를 위해 병리학으로 보내집니다. 이러한 결과는 서면 병리학 보고서 형식으로 전달됩니다. 현재 표준 치료 병리학 보고서는 절제된 조직의 시각적 표현 없이 검체 및 마진 샘플링 부위에 대한 서면 설명을 제공합니다. 시편 자체는 일반적으로 절편 및 분석 중에 파괴됩니다. 이로 인해 최종 병리학 보고서가 확인될 때 병리학자와 외과 의사 간의 의사 소통이 어려워지는 경우가 많습니다. 또한 외과 의사와 병리학자는 절제된 암 표본을 시각화하는 다학제 암 치료 팀의 유일한 구성원입니다. 우리는 이러한 충족되지 않은 요구를 해결하기 위해 3D 스캐닝 및 표본 매핑 프로토콜을 개발했습니다. CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어는 잉크 및 여백 샘플링 부위를 명확하게 보여주는 가상 표본에 주석을 추가하는 데 사용됩니다. 이 맵은 다학제 암 치료 팀의 다양한 구성원이 활용할 수 있습니다.

서문

종양학적 절제술의 목표는 종양 세포를 현미경으로 제거하여 수술 마진을 통해 암을 완전히 제거하는 것입니다. 두경부암에서 수술 마진 상태는 가장 중요한 병리학적 위험인자^{이다 1}. 수술 마진이 양수이면 5년 내 국소 재발 및 모든 원인으로 인한 사망률이 >90^{% 증가}합니다2. 최근 몇 년 동안 의료 기술과 수술 기법의 발전에도 불구하고 두경부암의 양성 마진율은 여전히 높다³. 국소 진행성 구강암의 경우, 미국 내 양성 마진율은 18.1%^입니다4.

두경부 외과 의사가 주변 구조물의 파괴를 최소화하면서 완전한 종양학적 절제를 보장하기 위해 동결 절편 분석(FSA)을 통한 수술 중 마진 샘플링이 수행됩니다. FSA는 널리 사용되는 신속한 수술 중 병리학 상담을 제공하며 표준 치료입니다 ^5,6,7,8,9. 신선한 조직을 얼리고 얇게 썰어 유리 슬라이드에 놓고 환자가 마취된 상태에서 즉시 해석할 수 있도록 염색합니다.

두경부 종양 검체는 두경부암 검체의 해부학적 복잡성, 눈, 얼굴, 중요한 신경 및 혈관과 같은 중요한 구조와의 근접성을 고려할 때 광범위한 절제를 위한 두경부 부위의 최소 예비력, 절제된 검체에 종종 존재하는 여러 조직 유형(즉, 점막, 연골, 근육, 뼈)^10,11. 따라서, 마진 분석에 대한 검체 기반 접근법은 외과의사와 병리학자 사이의 의사소통 수준을 높여야 한다¹². 올바른 표본 방향과 관련 마진에 대한 논의를 보장하기 위해 대면 대화가 종종 보장됩니다. 그러나 환자가 전신 마취를 하는 동안 외과의가 수술실(OR)을 떠나거나 병리학자가 전체 병리학 실험실을 떠나 작업 흐름이 중단되기 때문에 항상 안전하거나 실현 가능한 것은 아닙니다. 또한 수술실과 병리학 실험실 사이에 상당한 이동 시간이 있을 수 있으며, 경우에 따라 병리학 실험실이 완전히 외부에 있을 수 있습니다.

FSA에 따라 종양 검체는 포르말린으로 고정되고 잉크, 절편 및 마진 샘플링을 통해 공식적으로 처리됩니다. 슬라이드는 병리학자가 만들고 현미경으로 해석하여 최종 병리학 보고서를 작성합니다. 복잡한 두경부암 절제술의 경우 1-2주가 소요될 수 있습니다. 불행히도, 검체를 처리하면 일반적으로 절제된 암 검체가 파괴됩니다. 이는 최종 병리학 보고서, 다학제 종양 위원회 논의, 보조 방사선 치료 계획 및 양성 마진 설정에서의 재절제술이 모두 종양학적 검체 및 병리학적 처리에 대한 시각적 기록 없이 진행되어야 하기 때문에 더 많은 혼란을 야기할 수 있습니다.

이러한 임상적 미충족 수요를 해결하기 위해 당사는 3D 스캐닝 및 표본 매핑 프로토콜을 개발하여 외과의, 병리학자 및 다학제 암 치료 팀의 다른 구성원 간의 의사 소통을 강화했습니다.

프로토콜

이 프로토콜은 IRB#221597에 따라 Vanderbilt University Medical Center에서 수행되었습니다. 환자는 수술 전에 수술 표본의 생체 외 3D 스캐닝 및 디지털 매핑과 3D 표본 모델 생물 저장소에 스캔을 추가하는 것에 대한 서면 동의서를 제공했습니다. 포함 기준은 외과적 절제를 받는 두경부 신생물이 의심되거나 생검에서 입증된 18세 이상의 환자였습니다. 3D 표본 지도는 외과 의사와 병리학자의 선호도와 직원 가용성을 기반으로 생성되었습니다.

이 프로토콜은 밴더빌트 대학 메디컬 센터(Vanderbilt University Medical Center)의 IRB#221597(Institutional Review Board)의 인간 연구 윤리 위원회의 지침을 따릅니다. 모든 피험자는 참여하기 전에 서면 동의서를 제공했습니다. 모든 환자 데이터는 비식별화되었습니다.

1. 3D 스캐너 설정

1. 스캐너 설정에 사용할 수 있는 3 x 2피트 평면 워크스테이션을 식별합니다. 워크스테이션이 스캐너가 밀폐되어 있거나 실내의 조명이 꺼져 있는 어두운 환경인지 확인하십시오. 또는 그림 1과 같이 모바일 카트 설정 내에서 3D 스캐닝을 수행합니다.
2. 평평한 워크스테이션에 다리가 3개 달린 카메라 삼각대를 설치합니다. 3D 스캐닝 카메라를 삼각대에 조심스럽게 놓습니다. 카메라를 워크스테이션 쪽으로 60° 각도로 기울입니다.
3. 두 부분으로 구성된 전원 코드를 외부 전원과 카메라 뒷면에 연결합니다.
4. 스캐너 턴테이블을 1D 카메라와 삼각대 설정 앞에 3피트 앞에 놓습니다. 마이크로 USB 케이블을 사용하여 턴테이블을 카메라에 연결합니다.
5. 카메라-USB 케이블을 사용하여 카메라를 노트북 컴퓨터에 연결합니다. 레이블이 지정된 설정은 그림 2 를 참조하십시오.
   주: 랩톱 컴퓨터에 USB 포트가 없는 경우 외부 USB 어댑터가 필요할 수 있습니다. 외부 마우스를 사용하는 것이 좋습니다.
6. 워크스테이션의 조명을 꺼서 스캐너를 현재 조명 조건에 맞게 보정합니다.
7. 파란색 표시등이 나타날 때까지 카메라 뒷면의 전원 버튼을 길게 누릅니다.
8. 컴퓨터 바탕 화면에서 3D 캡처 소프트웨어를 엽니다. 턴테이블을 카메라에 의해 투사되는 십자형의 중앙에 놓습니다.
   알림: 소프트웨어를 열기 전에 카메라의 전원이 켜져 있고 표시등이 꺼져 있는지 확인하십시오.

2. 시편 취급

1. 수술 팀으로부터 절제된 종양 검체를 얻습니다.
2. 검체를 헹구어 절제에서 혈액이나 과도한 혈전을 제거합니다. 부드럽게 두드려 말리십시오.
   참고: 이 단계는 고품질 스캔을 얻는 데 매우 중요합니다. 3D 스캐너는 표본이 매우 반짝이거나 표면에 잔류 혈액이 있는 경우 데이터를 수집하기 어렵습니다.
3. 표본을 평평하고 깨끗한 표면에 놓습니다.
4. 스마트폰 카메라 또는 디지털 카메라를 사용하여 표본의 고품질 2D 이미지를 얻습니다. 표본의 앞쪽 표면의 사진 한 장을 얻습니다. 표본을 정확히 180° 뒤집고 표본 뒤쪽 표면의 두 번째 사진을 얻습니다.

고형 종양의 대박 절제술 후 3. 3D 스캐닝

1. 3D 스캐너 턴테이블에 얇은 플라스틱 시트를 놓아 인체 조직으로부터 대상 지점을 보호합니다. 앞쪽이 위를 향하도록 플라스틱 시트에 표본을 놓습니다.
2. 노트북 바탕 화면에서 3D 스캐너 소프트웨어 응용 프로그램을 클릭합니다.
3. 화면 오른쪽에 있는 3D 스캐너 아이콘을 클릭합니다. 새 작업 버튼을 클릭합니다.
4. 이해하기 쉬운 명명 규칙을 사용하여 새 폴더를 만듭니다.
   참고: 명명 규칙 권장 사항: YYYY-MM-DD_SPECIMENTYPE
5. 텍스처 스캔(Texture Scan)을 클릭합니다. 열려 있는 전역 마커 파일 섹션을 비워 둡니다.
6. 화면 왼쪽의 메뉴에서 모든 고정 설정을 조정합니다(그림 3). HDR 끄기를 선택합니다. With Turntable(턴테이블 사용)에 대해 ON(켜기) 옵션을 선택합니다. 정렬 모드 = 턴테이블 코딩 대상, 턴테이블 단계 = 8, 턴테이블 속도 = 10, 턴테이블 회전 = 한 바퀴를 설정합니다.
7. 그림 3과 같이 밝기 슬라이더 막대를 오른쪽으로 밀어 밝기를 조정하면 표본의 어두운 표면에서 노출(적색도)이 최대화됩니다.
   알림: 표본의 밝은 색 부분(뼈, 치아)을 과도하게 노출(너무 빨간색)하지 않고 표본의 어두운 색 부분(근육, 연조직)의 노출(붉은색)을 최대화하십시오.
8. 스캔 시작이라고 표시된 오른쪽 도구 모음에서 삼각형 재생 버튼을 클릭하거나 스페이스바를 눌러 첫 번째 스캔 라운드를 시작합니다. 플랫폼이 8번의 회전을 모두 완료할 때까지 기다립니다(~4분). 이 단계에서 스캐너나 턴테이블을 만지지 마십시오.
9. 완료되면 스캔을 회전하여 화면에 표시된 녹색 점 외부에 캡처된 스캔 데이터나 명백한 아티팩트가 있는지 확인합니다. 만족스러우면 편집 화면 오른쪽에 있는 확인 표시를 클릭하여 스캔의 다음 절반으로 진행합니다.
   1. 아티팩트가 발견되면 Shift 키를 누른 상태에서 커서를 사용하여 아티팩트 주위의 원을 원하는 스캔 외부로 드래그합니다. 원치 않는 아티팩트 주위에 나타나는 빨간색 원을 찾습니다. 휴지통 아이콘으로 지정된 오른쪽 도구 모음에서 데이터 삭제 버튼을 클릭합니다.
10. 장갑을 사용하여 시편을 뒤집어 반대쪽 표면을 노출시킵니다. 필요에 따라 밝기를 조정하고 다른 모든 설정은 동일하게 유지합니다. 3.8-3.9단계를 반복합니다.

4. 정렬 및 메싱

1. 프로그램은 자동으로 시편을 정렬하려고 시도합니다. 정렬이 정확하면(드물게) 4.4단계로 진행합니다. 정렬이 불량한 경우(참고 참조) 4.2단계로 진행합니다.
   알림: 정확한 정렬은 측면에 틈이나 겹침이 없는 완전히 형성된 시편을 특징으로 합니다. 노란색 부분은 스캔 내부를 나타내며 최적 정렬은 가능한 한 노란색의 양을 최소화합니다.
2. 수동 정렬의 경우 오른쪽 도구 모음에서 퍼즐 조각으로 표시된 정렬 버튼을 누릅니다.
3. 3점 교차 정합을 수행하여 두 개의 3D 스캔을 기하학적으로 정렬합니다.
   1. 스캔 데이터 한 세트(그룹 1 및 그룹 2)를 클릭하여 각 정렬 프레임으로 드래그합니다. 고정(Fixed ) 상자에 그룹 1(Group 1)을 배치하고 부동(Floated ) 상자에 그룹 2(Group 2)를 배치합니다.
   2. 마우스 오른쪽 버튼 클릭 기능을 사용하여 한쪽은 표본의 외부(3D 스캔 표면)를 표시하고 다른 절반은 표본 내부(노란색)를 표시하도록 두 개의 절반을 회전하고 배치합니다. 실루엣이 겹쳐진 경우 동일한 모양을 만들도록 두 반쪽의 방향을 지정합니다. 마우스의 중간 스크롤 버튼을 사용하여 표본을 확대 및 축소합니다.
   3. 각 스캔 데이터 세트에서 세 개의 명확한 랜드마크를 식별하여 두 데이터 세트 모두에 있는 정렬 지점으로 선택합니다.
      알림: 표본의 가장자리에서 서로 거의 같은 거리에 있는 세 점을 선택합니다. 스캔의 고유한 지형을 사용하여 이러한 지점을 선택합니다.
   4. Shift 키를 누른 상태에서 마우스 왼쪽 버튼을 클릭하여 위에서 설명한 대로 각 데이터 그룹에서 해당하는 세 개의 정렬 점 중 첫 번째 점을 선택합니다. 두 개의 해당 점을 클릭하여 선택한 후 선택한 해당 위치에 나타나는 빨간색 점을 찾습니다. 이 과정을 2번 반복하고 선택한 정렬점의 두 번째 세트에 녹색 점이 나타나고 세 번째 세트에 주황색 점이 나타나는지 확인합니다.
   5. 정렬 결과가 두 절반 아래의 더 큰 창에 나타나는지 확인합니다. 스캔이 잘 정렬되면(최적의 정렬 권장 사항은 섹션 4.1의 참고 참조) 4.4단계로 진행합니다. 정렬 프로세스를 반복하려면 4.3.6단계로 이동합니다.
   6. 정렬점을 다시 선택하려면 Ctrl 키 + Z 키를 눌러 이전 작업을 취소하거나 각 창의 오른쪽 상단 모서리에 있는 X 상자를 클릭하고 4.3.1단계로 돌아갑니다.
   7. 정렬 결과 미리보기가 정확해질 때까지 다음 단계를 수행합니다.
4. 오른쪽 하단 도구 모음에서 사각형 Global Optimization 버튼을 선택합니다. 최적화 화면을 진행하면서 메시지가 표시될 때마다 확인 버튼을 클릭합니다.
5. 최적화가 완료되면 화면 오른쪽 하단의 삼각형 메시 모델 버튼을 선택합니다.
6. 메시지가 표시되면 수밀 모델 옵션을 선택합니다. 중간 디테일 옵션을 클릭합니다.
   참고: 높은 디테일은 렌더링하는 데 훨씬 더 오래 걸리며 중간 디테일보다 시각적으로 좋지 않습니다.
7. 화면 왼쪽에 나타나는 슬라이더 막대를 사용하여 메시지가 표시되면 밝기 를 50 으로 조정하고 대비 를 0 으로 조정합니다.
8. 오른쪽 하단 도구 모음에 있는 Save Your Scan 버튼을 클릭합니다. 시편의 모든 원래 치수를 보존하기 위해 스케일링 비율 을 100% 로 유지합니다.
9. 모델을 3MF 및 OBJ 파일 형식으로 내보내고 스캔 시작 시 생성된 폴더 내에 파일을 저장합니다. 2.3단계에 설명된 대로 명명 규칙을 사용합니다.

5. 정리

1. 장갑을 사용하여 턴테이블에서 시편을 제거합니다. 검체를 병리학 팀에 안전하게 반환합니다.
2. 플라스틱 시트를 제거하고 물티슈로 소독하십시오. 가방에 다시 넣으십시오.
3. 스캐너 턴테이블과 카메라를 상자의 해당 슬롯에 다시 넣습니다. 카메라가 비닐 봉지나 상자로 보호되어 있는지 확인하십시오.
4. 모든 코드를 뽑고 상자에 넣으십시오.
5. 살균 물티슈로 스캔 영역을 청소하십시오.

6. 가상 3D 표본 매핑

1. 검체를 처리할 준비가 되면 검체를 채취할 병리학 팀원과 함께 작업할 워크스테이션을 설정합니다.
   알림: 이동성을 허용하고 병리학 팀과의 의사 소통을 용이하게 하기 위해 롤링 컴퓨터 스탠드를 사용하는 것이 도움이 됩니다.
2. 워크스테이션에서 랩톱 컴퓨터와 외부 마우스를 설정합니다. 노트북 바탕 화면에서 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어를 열어 3D 모델에 가상으로 주석을 달 수 있습니다.
3. 더하기 기호 아이콘으로 표시된 수입 버튼을 클릭하고 이전에 저장한 3단계의 원시 스캔 4.9mf 파일을 가져옵니다.
   알림: 이 소프트웨어에는 지우기 기능이 없습니다. 사용자가 Ctrl Z를 눌러 이전 작업을 실행 취소할 수만 있습니다. 지도가 저장되면 사용자가 돌아가서 표본의 표시를 변경하거나 지울 수 없다는 점에 주의하십시오.
4. 가상 수동 입력
   1. 크기 설정 15-30에서 페인트 브러시 도구를 선택하여 각 잉크 영역의 테두리에 윤곽선을 그립니다. 색상표를 사용하여 실제 잉크 색상과 동시에 소프트웨어 페인트 색상을 사용하여 각 잉크 표면을 그래픽으로 표현할 수 있습니다.
   2. 크기 설정 35-45에서 페인트 브러시 도구를 사용하여 각 잉크 섹션을 해당 색상으로 채웁니다.
   3. 모든 잉크가 묻은 면이 올바른지 확인하고 키에 대한 각 잉크 면의 해부학적 방향(전방, 후방, 내측, 측면, 깊이)을 기록해 둡니다.
5. 마진 샘플링
   1. 크기 설정 20-25에서 페인트 브러시 도구를 사용하여 색상 코딩을 사용하여 구분되는 수직 및 면도(en face) 여백을 다이어그램으로 표시합니다.
      참고: 예를 들어, 흰색을 사용하여 수직 여백을 나타내고 fuschia를 사용하여 면도 여백을 나타냅니다.
   2. 샘플링된 각 섹션에 각 섹션이 배치된 카세트에 해당하는 숫자 또는 문자로 레이블을 지정합니다.
6. 평면 절단
   1. 평면 절단(즉, 빵 덩어리가 표본을 완전히 절단하는 경우)의 경우 왼쪽 도구 모음에서 평면 절단 도구를 선택합니다. 왼쪽 위 도구 모음에서 둘 다 유지 를 선택합니다.
   2. 시편을 통과하는 평면 절단을 원뿔이 수행한 대로 정확하게 그립니다. 컷이 올바른지 확인한 다음 수락을 클릭합니다.
7. 3D 시편 맵 완성 및 내보내기
   1. 완성된 3D 표본 지도의 정확성을 확인하기 위해 전방으로 확인합니다. 불일치를 수정하고 맵을 마무리합니다.
      참고: 완성된 시편 맵의 예는 그림 4에 나와 있습니다.
   2. 위쪽 도구 모음에서 File( 파일) | 저장(Save ) - 시편 맵을 저장합니다. File(파일) | 수출 | 고르다. 3mf 파일을 .3mf 파일로 내보냅니다.

7. 배포 가능한 비디오 만들기

1. 노트북 바탕 화면에서 프레젠테이션 소프트웨어를 엽니다.
2. 슬라이드 파일의 제목을 매핑된 시편의 해당 이름으로 지정합니다.
3. 표본을 촬영한 2D 이미지를 삽입하고 슬라이드의 한쪽에 배열합니다.
4. 위쪽 도구 모음에서 삽입 을 선택합니다. 고무 오리 아이콘을 클릭하고 3D 모델 삽입을 선택합니다.
5. 4.9단계에서 생성된 원시 스캔의 .3mf 파일과 6.7.2단계에서 생성된 매핑된 표본의 .3mf 파일을 가져옵니다.
6. 원시 스캔과 매핑된 스캔으로 3D 모델을 나란히 정렬합니다. 두 모델이 동일한 방향/정렬에 있고 크기가 같도록 정렬합니다.
7. 상단 도구 모음에서 애니메이션을 클릭합니다. 모델 #1 선택 | 애니메이션 추가 | 턴테이블 | 지속 시간을 10초로 변경 | 클릭 시(On click)를 선택합니다.
8. 모델 #2를 선택하고 매핑된 스캔에 대해 6.8단계를 반복하되 마지막 단계에서 클릭 시 대신 이전 사용을 선택합니다.
9. 모델 #1을 선택하고 6.8단계를 반복하되 효과 옵션을 선택하고 턴테이블 방향을 위로 변경한 다음 이전 이후를 선택합니다.
10. 모델 #2를 선택하고 7.9단계를 반복하되 마지막 단계에서 이전과 함께 선택합니다.
11. Animation Pane(애니메이션 창)을 선택하고 Play all(모두 재생)을 클릭하여 스캔이 같은 방향으로 동시에 회전하는지 확인합니다.
12. 공유 가능한 동영상을 만들려면 파일 | 수출 | 동영상 만들기 | 중간 크기의 파일을 선택하여 .mp4 비디오를 내보내 이메일로 공유하거나 프레젠테이션에 통합합니다.
    참고: 최종 비디오의 예는 그림 5에 나와 있습니다.

결과

2021년 10월부터 2023년 4월까지 이 프로토콜에 따라 28개의 두경부 종양 표본을 3D 스캔하고 가상으로 매핑했습니다. 이 결과는 이전에^{발표된 13}. 수술 표본의 대부분은 편평 세포 암종(SCC)(86%, n=24)이었으며, 가장 흔한 해부학적 하위 부위는 구강(54%, n=15)과 후두(29%, n=8)였습니다.

모든 경우에 표본 맵은 병리학 슬라이드를 평가하고 최종 병리학 보고서를 배포하?...

토론

전통적으로 절제된 암 표본을 시각적으로 표현할 수 없습니다. 병리학적 처리는 종종 표본을 파괴합니다. 이전 연구는 종양학적 검체의 3D 스캐닝 후 모델의 가상 주석을 사용하여 병리학적 처리를 대표하는 3D 검체 맵을 생성하는 것의 타당성과 유용성을 입증했습니다 13,14,15. 이를 통해 다학제 진료 팀은 암 표본의 해부학적 ?...

자료

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
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