Mixed Reality 보조 근치적 내시경 갑상선 절제술

요약

근치적 내시경 갑상선 절제술은 다양한 수술 합병증과 관련이 있습니다. 이 연구는 혼합 현실 기술을 활용하여 외과의가 근치적 내시경 갑상선 절제술을 수행하는 데 도움을 주어 안전성을 높이고 수술 임계값을 낮추는 것을 목표로 합니다.

초록

근치적 내시경 갑상선 절제술(ET)은 개복 수술에 비해 우수한 미용 결과와 수술 부위의 향상된 가시성을 제공합니다. 그러나 갑상선의 독특한 생리적 기능과 주변의 복잡한 해부학적 구조로 인해 다양한 수술 합병증이 발생할 수 있습니다. 실시간 홀로그램 시각화 기술인 혼합 현실(MR)을 사용하면 현실 세계에서 매우 사실적인 3D 모델을 만들 수 있으며 여러 인간-컴퓨터 상호 작용을 촉진할 수 있습니다. MR은 수술 전 평가와 수술 중 내비게이션 모두에 활용할 수 있습니다. 먼저, 3Dslicer를 사용하여 향상된 컴퓨터 단층 촬영 이미지로부터 목의 반자동 3D 재구성을 수행합니다. 다음으로, 3D 모델을 Unity3D로 가져와 MR 헬멧 탑재 디스플레이(HMD)에 표시할 수 있는 가상 홀로그램을 만듭니다. 수술 중 외과의는 MR HMD를 착용하여 가상 홀로그램을 통해 병변 및 주변 해부학적 구조를 찾을 수 있습니다. 이 연구에서는 근치적 ET가 필요한 환자를 실험군 또는 대조군에 무작위로 배정했습니다. 외과의는 실험군에서 MR 보조 근치적 ET를 수행했습니다. 수술 결과와 저울 결과의 비교 분석이 수행되었습니다. 이 연구는 목 3D 모델과 가상 홀로그램을 성공적으로 개발했습니다. NASA Task Load Index Scale에 따르면 실험 그룹은 대조군에 비해 '자신의 성과'에서 유의하게 높은 점수와 '노력'에서 낮은 점수를 보였습니다(p = 0.002). 또한 Likert Subjective Evaluation Scale에서 모든 질문의 평균 점수가 3을 초과했습니다. 수술 합병증의 발생률은 대조군보다 실험군에서 낮았지만, 수술 결과의 차이는 통계적으로 significant.MR 되지 않았으며, 이는 수술 전후 기간 동안 수술 수행 능력을 향상시키고 외과 의사의 부담을 완화하는 데 유익했습니다. 또한 MR은 ET의 안전성을 향상시킬 수 있는 잠재력을 보여주었습니다. 따라서 MR의 수술 적용에 대한 추가 조사가 필수적입니다.

서문

지난 10년 동안 전 세계 갑상선 결절 발병률은 29.29%로 증가하여 이전 10년에 비해 7.76% 증가했습니다. 이러한 추세로 인해 갑상선 결절은 가장 흔한 질환 중 하나로 꼽히고 있다¹. 동시에 갑상선암 발병률은 100,000명당 20명에 달하여 모든 암 중 7위, 여성 암 중 3위를 차지했습니다. 근치적 수술이 여전히 선호되는 치료법이다².

갑상선 절제술은 개복 수술, 내시경 수술, 로봇 수술로 분류할 수 있습니다. 내시경 갑상선 절제술(ET)은 내시경 기구의 길이를 사용하여 유륜, 겨드랑이, 구강 및 기타 숨겨진 부위를 절개하여 피하 터널을 만들어 목에 흉터가 없는 모양을 용이하게 하는 성형 수술의 한 형태입니다. 이 접근법은 갑상선암 환자의 대다수를 차지하는 여성에게 특히 매력적이다³. 그러나 ET는 여전히 외과적 관점에서 추가적인 최적화가 필요합니다. 첫째, ET는 제한된 수술 공간과 촉각 피드백의 부족으로 인해 수술이 복잡해지고 학습 곡선이 길어지는 데 기여합니다⁴. 둘째, 갑상선은 특별한 생리적 기능과 복잡한 국소 해부학적 구조를 가지고 있어 ET는 부갑상선 기능 저하증 및 재발성 후두 신경(RLN) 손상과 같은 심각한 합병증에 취약합니다⁵. 또한, 갑상선암은 종종 잠재성 림프관 전이를 동반하며, 불완전한 경추 림프절 절제술은 수술 후 림프절 재발의 위험을 더욱 높일 수 있으며⁶, 일부 환자에서는 2차 또는 여러 차례의 수술이 필요할 수 있다.

인공 지능(AI)은 컴퓨터 알고리즘을 통해 인간의 지능을 시뮬레이션하고 향상시키고자 하는 새로운 분야입니다. 확장 현실(XR)은 매우 사실적인 시청각 정보를 실시간으로 제공할 수 있는 AI 기술의 한 범주로, 특히 외과 분야에 적합합니다⁷. XR의 하위 집합인 혼합 현실(MR)은 가상 홀로그램을 실제 개체와 통합하여 사용자가 현실과 가상 환경 간에 원활하게 상호 작용할 수 있도록 합니다⁸. 3차원(3D) 재구성은 픽셀로 구성된 2차원(2D) 이미지를 복셀로 구성된 3D 모델로 변환하는 컴퓨터 그래픽 기술입니다. 3D 모델의 표현은 매우 중요하며, 수술에서 MR의 주요 응용 분야는 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 자기 공명 영상(MRI)과 같은 단층 촬영 이미지로 구성된 3D 모델을 표시하는 것입니다.

본 연구에서는 MR을 사용하여 수술의 복잡성을 줄이면서 효능과 안전성을 높이기 위해 근치적 ET를 보조하는 데 활용하였다. 갑상선암 진단을 받고 지정된 포함 및 제외 기준을 충족하는 환자는 실험군 또는 대조군에 무작위로 배정되었습니다. 실험군에 속한 사람들은 MR 보조 근치적 ET를 받았다. 두 그룹 간의 수술 결과에 대한 비교 분석이 수행되었습니다. 또한 NASA-TLX(National Aeronautics and Space Administration Task Load Index Scale)와 Likert Subjective Rating Scale을 사용하여 MR 보조 ET가 외과의에게 미치는 영향을 평가했습니다. NASA-TLX는 주관적 업무량 평가의 황금 표준으로 인정받고 있으며 정신적 요구(MD), 신체적 요구(PD), 시간적 요구(TF), 자기 성과(OP), 노력(EF) 및 좌절(FR)의 6가지 차원으로 구성됩니다⁹. 각 차원은 0에서 100까지의 척도로 독립적으로 평가됩니다. 리커트 주관적 평가 척도(Likert Subjective Rating Scale)는 매우 만족(5점)에서 매우 불만족(1점)에 이르는 5가지 응답 레벨의 일련의 질문을 포함하며, 중간 수준은 만족(4점), 수용(3점), 불만족(2점)입니다.

프로토콜

이 프로토콜은 Sun Yat-Sen University의 인간 연구 윤리 위원회의 지침을 따릅니다. 이 치료는 일상적인 임상 치료에서 수행되었기 때문에 특별한 윤리 승인이 필요하지 않습니다.

1. 3D 재건

1. 350 Huunsfield 단위(HU)의 창 너비와 40 HU의 창 수준을 활용하여 목 강화 CT 스캔의 DICOM 데이터를 3DSlicer¹⁰으로 가져옵니다.
2. 반자동 접근 방식을 사용하여 목 3D 모델을 분할하고 재구성합니다.
   1. Threshold와 Hollow 함수를 사용하여 스킨을 분할하고 재구성합니다. 먼저 Threshold 함수를 사용하여 -250HU보다 큰 CT 값에 대한 분할을 만듭니다. 그런 다음 Hollow 함수를 사용하여 이 분할의 내부를 제거합니다.
   2. 동맥 또는 정맥기 이미지를 기반으로 Grow from seeds 기능을 사용하여 갑상선, 병변, 기관 및 식도를 분할하고 재구성합니다. cross-sectional, sagittal, coronal 이미지에 걸쳐 타겟 구조 내의 시드를 수동으로 묘사합니다. 그런 다음 Grow from seeds 함수를 사용하여 대상 세분화를 자동으로 생성합니다.
   3. 일반 스캐닝 이미지를 기반으로 Threshold 기능을 사용하여 뼈를 분할하고 재구성합니다. 200HU를 초과하는 CT 값에 대해 이 세분화를 만듭니다.
   4. 동맥 위상 영상을 기반으로 하는 Local threshold 함수를 사용하여 동맥을 분할하고 재건합니다. 코로나 이미지에서 동맥 내의 씨앗을 수동으로 묘사합니다. 그런 다음 Local threshold 함수를 사용하여 시드값과 일치하는 CT 값 범위로 분할을 생성하고 절차를 반복하여 분할을 점진적으로 확장합니다.
   5. 정맥 위상 이미지를 기반으로 하는 Local threshold 기능을 사용하여 정맥을 분할하고 재구성합니다. 이전 단계에서 설명한 것과 동일한 특정 작업을 사용합니다.
3. 볼륨 렌더링을 사용하여 넥 3D 모델을 자동으로 재구성합니다.
   1. 볼륨 렌더링 모듈 내에서 동맥 위상 이미지 또는 정맥 위상 이미지를 선택합니다.
   2. 최적의 자동 재건 프로토콜(일반적으로 관상동맥 강화 CT 재건 프로토콜)을 선택하여 상갑상선 혈관과 하갑상선 혈관의 시각화를 강조합니다.
   3. 관심 영역을 정밀하게 조정하여 불필요한 재구성을 최소화합니다.

2. 넥 가상 홀로그램 구축

1. 3DSlicer에서 반자동으로 재구성된 넥 3D 모델을 OBJ 파일로 내보냅니다.
2. MRTK(Mixed Reality Toolkit)를 사용하여 Unity3D에서 새 프로젝트를 만들고 필요한 구성 요소를 구성합니다.
   1. Box Colider 구성 요소를 활용하여 컨트롤 테두리를 추가합니다.
   2. Cursor Context Object Manipulator 컴포넌트를 사용하여 이동 가능한 커서를 구현합니다.
   3. Object manipulator, Near interaction Grabbable, Min Max Scale Constraint 컴포넌트를 통해 이동, 스케일, 회전 기능을 추가합니다.
   4. Slider Transparency Controller 구성 요소를 사용하여 투명도 제어를 활성화합니다.
3. OBJ 파일을 프로젝트로 가져오고 앞서 언급한 구성 요소를 넥 3D 모델과 연결합니다.
4. 홀로그램 원격 프로그램을 사용하여 MR HMD(헤드 마운트 디바이스)에서 넥 가상 홀로그램을 디버그한 다음 Unity3D¹¹에서 프로젝트를 패키징하고 내보냅니다.
5. Visual Studio 프로그램을 사용하여 MR HMD에 목 가상 홀로그램을 설치합니다.

3. MR 장치 조작

1. 수술 전에 MR HMD를 착용하거나 수술 중 순환 간호사가 HMD 착용을 돕습니다.
2. MR HMD를 사용하여 목 가상 홀로그램을 조작합니다.
   1. Grab 제스처를 사용하여 목 가상 홀로그램의 이동, 크기 조정 및 회전을 제어합니다.
   2. 해당 가상 슬라이더를 드래그하여 넥 가상 홀로그램의 투명도를 조정합니다.
   3. 목 가상 홀로그램을 환자의 위치에 정렬하여 하악골 및 쇄골과 같은 해부학적 마커의 적절한 정렬을 보장합니다.
3. 목 CT 이미지, 초음파 검사 및 실험실 검사 결과와 같은 임상 데이터를 MR HMD로 가져와 수술 중 언제든지 이 정보에 액세스할 수 있습니다.
4. 음성 명령을 통해 MR 이미지 및 비디오를 캡처하도록 HMD를 제어합니다.
5. Wi-Fi 연결을 통해 MR HMD를 통해 1인칭 시점을 공유합니다.

4. 수술 전 단계

1. 포함 기준
   1. 최대 직경이 3cm인 유두 갑상선 암종(PTC) 환자≤ 포함합니다.
   2. 아름다움에 대한 욕구를 표현하는 환자를 포함하십시오.
2. 제외 기준
   1. 수술이나 전신 마취를 견딜 수 없는 환자는 제외합니다.
   2. 갑상선 외 침습 또는 PTC의 원격 전이를 보이는 환자는 제외합니다.
   3. 갑상선 수술, 절제 또는 방사성 요오드 치료 병력이 있는 환자는 제외합니다.
   4. 흉부 또는 쇄골 기형이 있는 환자는 제외합니다.
   5. 부갑상선 기능 저하증 또는 성대 기능 장애가 있는 환자는 제외합니다.
3. 보조 검사
   1. PTC와 주변 해부학적 구조를 평가하기 위해 목 강화 CT 및 초음파 검사를 수행합니다.
   2. 흉부 방사선 촬영, 심전도, 전체 혈구 수, 간 및 신장 기능 검사, 응고 검사를 수행하여 절대적인 외과적 금기 사항을 배제합니다.
   3. 갑상선 및 부갑상선 기능 검사와 갑상선 글로불린 수치를 검사합니다.
   4. 성대 기능을 평가하기 위해 광섬유 후두경 검사를 실시합니다.
4. 수술 전 준비
   1. 환자를 10시간 동안 빠르게 하고 포도당 식염수 또는 Ringer's solution을 정맥 투여합니다.
   2. 미다졸람, 프로포폴, 수펜타닐, 아트라큐리움을 정맥 주사하여 전신 마취를 유도한 후 경구강 기관 삽관을 실시합니다. 마취 유지 단계에서는 근육 이완제를 사용하지 마십시오.
   3. 요도 카테터 삽입을 수행합니다.
   4. 수술 중 신경 모니터링(IONM) 장치를 연결합니다.
   5. 환자를 다리를 쪼개고 자세를 취하고 머리를 뒤로 기울여 목을 뻗습니다. 내시경 시스템을 환자의 머리 앞쪽에 배치합니다.

5. 외과적 절차(유방 접근법)

1. 수술 부위를 소독하고, 무균 수술 수건을 깔고, 내시경, 전기 응고 고리, 흡입 장치 및 초음파 칼을 연결합니다.
2. 양측 유두를 연결하는 선의 중간점에서 오른쪽으로 2cm 떨어진 곳에 위치한 관찰 구멍을 확인합니다. 팽창액을 피하에 주입하고 스트리핑 로드를 사용하여 해부합니다.
3. 10mm 투관침을 놓고 이산화탄소를 주입하여 내부 압력이 6mmHg 미만으로 유지되는 작동 공간을 설정합니다.
4. 양쪽 유륜의 위쪽 가장자리를 작동 채널로 사용합니다. 30° 복강경 시각화에서 두 개의 5mm 또는 10mm 투관침 바늘로 양쪽의 피하강을 절개합니다. 초음파 나이프와 무관겸자를 삽입하고 피하 공간을 목 앞쪽으로 확장합니다.
5. 갑상선을 자유롭게 하기 위해 경추의 흰 선을 분리하십시오. 봉합사로 리본 근육을 매달아 시야를 확장합니다.
6. 탄소 나노 입자를 갑상선에 주입하여 갑상선과 자궁경부 림프절을 염색합니다.
7. 갑상선 협부를 분리하여 기관을 노출시키고 갑상선의 현수 인대를 분리합니다.
8. 초음파 나이프를 사용하여 상갑상선 동맥과 정맥, 하부 갑상선 동맥 및 중간 갑상선 정맥을 응고시킵니다. 흡수성 클램프로 더 큰 혈관을 고정합니다.
9. PG가 제거되거나 혈액 공급이 파괴된 경우 PG를 동측 흉쇄유돌근에 자동 이식합니다.
10. IONM 프로브를 사용하여 RLN과 상후두 신경을 식별합니다. 열 손상을 방지하기 위해 젖은 거즈로 신경을 보호하십시오.
11. 병변 갑상선을 조심스럽게 분리하고 절제하여 검체 백을 사용하여 완전히 회수되도록 합니다.
12. 경추 중앙 부위에서 동측 림프절 절제술을 시행합니다. 필요한 경우 반대쪽 갑상선 절제술과 림프절 절제술을 진행합니다.
13. 모든 출혈이 철저히 통제되었는지 확인하고 멸균 증류수로 수술 부위를 헹굽니다. 수술 채널에 배액관을 삽입하고 절개 부위를 층별로 봉합합니다.

6. 수술 후 관리

1. 환자가 병동으로 돌아올 때 심전도 모니터링 및 산소 요법을 제공합니다. 그 후, 수액 교체, 칼슘 정맥 주사, 통증 완화, 흡입 약물 요법 및 가래 제거를 포함하는 치료를 시행합니다. 필요한 경우 지혈제를 투여하고 물리 치료를 시작합니다.
2. 수술 후 첫날에는 심전도 모니터링 및 산소 요법을 중단하고 요로 카테터를 제거합니다. 환자는 완전한 다이어트를 재개하고 레보티록신과 칼슘을 매일 경구 투여할 수 있습니다.
3. 수술 후 2일차 또는 3일차에는 배액관을 제거하고 환자 퇴원을 준비합니다.
4. 환자에게 수술 후 첫 주와 수술 후 1개월, 3개월, 6개월, 12개월 동안 후속 조치를 위해 외래 환자과를 방문하도록 지시합니다. 정기적으로 갑상선 기능과 갑상선 글로불린 수치를 검토하고 목 초음파 검사를 수행합니다.

결과

이 연구는 PTC 환자의 목 3D 모델을 성공적으로 구축하고(그림 1) MR 보조 근치적 ET 14건을 수행했습니다(그림 2).

수술 후 NASA-TLX 및 Likert Subjective Rating Scale(표 1 및 표 2)을 완료한 선임 외과의가 총 32회의 ET를 수행했습니다. NASA-TLX에서 실험군은 대조군에 비해 유의하게 높은 OP 점수와...

토론

MR은 다양한 알고리즘 모델과 센싱 장치를 기반으로 하는 최첨단 AI 기술입니다. 이 프로토콜의 목적은 MR을 활용하여 급진적 ET를 지원하는 것입니다. 또한 핵심 절차는 넥 3D 모델과 가상 홀로그램을 구성하는 것입니다. 주관적 척도는 긍정적인 결과를 나타내며, 이는 MR이 외과의가 근치적 ET를 쉽게 수행하는 데 도움이 된다는 것을 보여줍니다. 또한 MR은 ET와 관련된 합병?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
3DSlicer	Slicer		https://www.slicer.org/
HoloLens2	Microsoft		a type of mixed reality helmet mounted display https://www.microsoft.com/en-us/hololens/hardware#document-experiences