Улучшенная коммуникация краев опухоли с помощью 3D-сканирования и картирования

Резюме

Предложен новый метод 3D-сканирования и виртуального картирования резекций рака с целью улучшения коммуникации между многопрофильной командой по лечению рака.

Аннотация

После онкологической резекции злокачественных опухолей образцы направляются в патологоанатомию для обработки для определения статуса хирургического края. Эти результаты сообщаются в виде письменного патологоанатомического заключения. В текущем стандартном патологоанатомическом отчете содержится письменное описание образца и мест отбора проб края без какого-либо визуального представления резецированной ткани. Сам образец, как правило, разрушается во время разрезания и анализа. Это часто приводит к трудностям в общении между патологоанатомами и хирургами, когда подтверждается окончательный отчет о патологии. Кроме того, хирурги и патологоанатомы являются единственными членами многопрофильной онкологической команды, которые визуализируют резецированный образец рака. Мы разработали протокол 3D-сканирования и картирования образцов, чтобы удовлетворить эту неудовлетворенную потребность. Программное обеспечение для автоматизированного проектирования (САПР) используется для аннотирования виртуального образца с четким отображением участков нанесения краски и отбора проб краев. Эта карта может быть использована различными членами многопрофильной онкологической команды.

Введение

Целью онкологической резекции является полное удаление рака с микроскопически чистыми от опухолевых клеток хирургическими краями. При раке головы и шеи статус хирургического края является наиболее важным патологическим фактором риска¹. Положительная хирургическая граница увеличивает риск 5-летнего локального рецидива и смертности от всех причин на >90%². Несмотря на достижения в области медицинских технологий и хирургических методов в последние годы, показатели положительной маржи при раке головы и шеи остаются^{высокими3}. Для местно-распространенных раковых опухолей полости рта положительный показатель маржи в Соединенных Штатах составляет 18,1%⁴.

Для хирургов головы и шеи, чтобы обеспечить полную онкологическую резекцию при минимальном повреждении окружающих структур, проводится интраоперационный забор краев с помощью анализа замороженных срезов (FSA). FSA предоставляет быструю интраоперационную консультацию по патологии, которая широко используется и является стандартом лечения 5,6,7,8,9. Свежую ткань замораживают, нарезают тонкими ломтиками, помещают на предметное стекло и окрашивают для немедленной интерпретации, пока пациент все еще находится под наркозом.

Онкологические образцы головы и шеи представляют собой несколько различных проблем для точной оценки краевого статуса, включая анатомическую сложность образцов рака головы и шеи, минимальный резерв в области головы и шеи для широкого иссечения, учитывая близость к жизненно важным структурам, таким как глаза, лицо, важные нервы и сосуды, а также множественные типы тканей, часто присутствующие в резецированном образце (например, слизистая оболочка, хрящи, мышцы, кости)^10,11. Таким образом, подход к анализу краев, основанный на образцах, требует более высокого уровня коммуникации между хирургом и патологоанатомом¹². Беседа с глазу на глаз часто необходима для обеспечения правильной ориентации образца и обсуждения проблемных пороков. Тем не менее, это не всегда безопасно или осуществимо, поскольку требует, чтобы либо хирург покинул операционную, пока пациент остается под общим наркозом, либо патологоанатом покинул лабораторию грубой патологии, прервав свой рабочий процесс. Кроме того, между операционной и патологоанатомической лабораторией может потребоваться значительное время в пути, а в некоторых случаях патологоанатомическая лаборатория может вообще находиться за пределами операционной.

После FSA онкологический образец фиксируется в формалине и формально обрабатывается с помощью краски, секционирования и отбора проб по краям. Слайды создаются и интерпретируются патологоанатомом под микроскопом для создания окончательного патологоанатомического отчета. При сложной резекции рака головы и шеи это часто может занять 1-2 недели. К сожалению, обработка образца обычно приводит к разрушению резецированного образца рака. Это может привести к дальнейшей путанице, поскольку окончательный отчет о патологоанатомическом исследовании, междисциплинарные обсуждения на онкологическом консилиуме, планирование адъювантной лучевой терапии и резекция при положительных краях должны проходить без визуальной регистрации онкологического образца и его патологической обработки.

Чтобы удовлетворить эту клиническую неудовлетворенную потребность, мы разработали протокол 3D-сканирования и картирования образцов для улучшения коммуникации между хирургами, патологоанатомами и другими членами многопрофильной команды по лечению рака.

протокол

Этот протокол был выполнен в Медицинском центре Университета Вандербильта в рамках IRB#221597. Пациенты предоставляли письменное согласие на 3D-сканирование ex vivo и цифровое картирование их хирургического образца перед операцией и добавление их скана в биорепозиторий 3D-модели. Критериями включения были пациенты в возрасте 18 лет и старше с подозрением на новообразование головы и шеи, перенесшим хирургическую резекцию. 3D-карты образцов были созданы на основе предпочтений хирурга и патологоанатома и доступности персонала.

Этот протокол соответствует руководящим принципам комитетов по этике исследований на людях Институционального наблюдательного совета (IRB#221597) в Медицинском центре Университета Вандербильта. Все испытуемые предоставили письменное информированное согласие до участия. Все данные пациента были обезличены.

1. Настройка 3D-сканера

1. Определите плоскую рабочую станцию размером 3 x 2 фута, доступную для настройки сканера. Убедитесь, что рабочая станция находится в темноте, где находится сканер, или что свет в комнате выключен. В качестве альтернативы можно выполнить 3D-сканирование в мобильной тележке, как показано на рисунке 1.
2. Установите штатив для камеры на трех ножках на плоской рабочей станции. Осторожно поместите камеру 3D-сканирования в штатив. Наклоните камеру вниз к рабочей станции под углом 60°.
3. Подключите шнур питания, состоящий из двух частей, к внешнему источнику питания и задней панели камеры.
4. Разместите поворотный стол сканера на расстоянии 1 фута перед 3D-камерой и штативом. Подключите проигрыватель к камере с помощью кабеля micro-USB.
5. Подключите камеру к ноутбуку с помощью кабеля Камера-USB. На рисунке 2 показана помеченная настройка.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если ноутбук не имеет USB-порта, может потребоваться внешний USB-адаптер. Рекомендуется использовать внешнюю мышь.
6. Выключите свет на рабочей станции, чтобы откалибровать сканер в соответствии с текущими условиями освещения.
7. Нажмите и удерживайте кнопку питания на задней панели камеры, пока не загорится синий индикатор.
8. Откройте программу 3D-захвата на рабочем столе компьютера. Отцентрируйте поворотный стол в кресте, проецируемом камерой.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Перед открытием программного обеспечения убедитесь, что камера включена, а индикаторы выключены.

2. Работа с образцами

1. Получите резецированный онкологический образец от хирургической бригады.
2. Промойте образец, чтобы удалить кровь или лишние сгустки после резекции. Аккуратно промокните насухо.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг очень важен для получения высококачественного сканирования. 3D-сканер испытывает трудности со сбором данных, когда образец очень блестящий или имеет остатки крови на поверхности.
3. Поместите образец на ровную чистую поверхность.
4. С помощью камеры смартфона или цифровой камеры получите высококачественные 2D-изображения образца. Сделайте одну фотографию передней поверхности образца. Переверните образец ровно на 180° и получите вторую фотографию задней поверхности образца.

3. 3D сканирование после резекции солидной опухоли

1. Поместите тонкий лист пластика на поворотный стол 3D-сканера, чтобы защитить целевые точки от человеческих тканей. Поместите образец на пластиковый лист передней поверхностью вверх.
2. Нажмите на программное приложение 3D-сканера на рабочем столе ноутбука.
3. Нажмите на значок 3D-сканера в правой части экрана. Нажмите на кнопку «Новая работа ».
4. Создайте новую папку, используя простое для понимания соглашение об именовании.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендация по соглашению об именовании: YYYY-MM-DD_SPECIMENTYPE
5. Нажмите на Texture Scan. Оставьте открытый файл глобальных маркеров пустым.
6. Отрегулируйте все фиксированные параметры в меню в левой части экрана (рисунок 3). Выберите HDR OFF. выберите параметр ON для параметра With Turndesk. Установите режим выравнивания = Coded Flux Targets, шаги поворотного стола = 8, скорость поворотного стола = 10 и повороты поворотного стола = один оборот.
7. Отрегулируйте яркость , сдвинув ползунок яркости вправо, чтобы максимизировать экспозицию (покраснение) на темных поверхностях образца, как показано на рисунке 3.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Попытайтесь максимизировать экспозицию (покраснение) на темных частях образца (мышцы, мягкие ткани), не переэкспонируя (слишком красные) светлые части образца (кости, зубы).
8. Нажмите на треугольную кнопку воспроизведения на правой панели инструментов с надписью «Начать сканирование » или нажмите пробел , чтобы начать первый раунд сканирования. Подождите, пока платформа завершит все восемь вращений (~4 мин). Не прикасайтесь к сканеру или проигрывателю во время этого шага.
9. После завершения поверните сканирование, чтобы увидеть, есть ли какие-либо данные сканирования, захваченные за пределами зеленых точек, отображаемых на экране, или каких-либо очевидных артефактов. Когда все будет готово, нажмите на галочку в правой части экрана редактирования , чтобы перейти к следующей половине сканирования.
   1. При обнаружении какого-либо артефакта нажмите клавишу Shift и с помощью курсора перетащите круг вокруг артефакта за пределы предполагаемого сканирования. Найдите красный кружок, который появляется вокруг нежелательного артефакта. Нажмите кнопку «Удалить данные » на правой панели инструментов, обозначенную значком мусорного ведра.
10. Используя перчатки, переверните образец, чтобы обнажить противоположную поверхность. Отрегулируйте яркость по мере необходимости, а все остальные настройки оставьте прежними. Повторите шаги 3.8-3.9.

4. Выравнивание и построение сетки

1. Программа попытается автоматически выровнять образец. Если выравнивание выполнено точно (редко), перейдите к шагу 4.4. Если выравнивание плохое (см. примечание), перейдите к шагу 4.2.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Точное выравнивание характеризуется полностью сформированным образцом без каких-либо зазоров или нахлестов по бокам. Желтые участки представляют внутреннюю часть скана, а оптимальное выравнивание показывает наименьшее количество желтого, насколько это возможно.
2. Для ручного выравнивания нажмите кнопку выравнивания , обозначенную кусочком пазла на правой панели инструментов.
3. Выполните трехточечную перекрестную регистрацию, чтобы геометрически выровнять два 3D-скана.
   1. Щелкните и перетащите один набор данных сканирования (Группа 1 и Группа 2) в каждую из рамок выравнивания. Поместите Группу 1 в поле Фиксированный , а Группу 2 в поле Плавающее .
   2. Используйте функцию щелчка правой кнопкой мыши , чтобы повернуть и расположить две половинки таким образом, чтобы одна сторона показывала внешнюю сторону образца (3D-сканированная поверхность), а другая — внутреннюю часть образца (желтая). Сориентируйте две половинки так, чтобы силуэты создавали одинаковую форму при наложении. Используйте среднюю кнопку прокрутки мыши, чтобы увеличивать или уменьшать масштаб образца.
   3. Определите три четких ориентира на каждом наборе данных сканирования, чтобы выбрать их в качестве точек выравнивания, присутствующих в обоих наборах данных.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выберите три точки, которые примерно равноудалены друг от друга по краям образца. Используйте уникальную топографию сканов, чтобы выбрать эти точки.
   4. Нажмите клавишу Shift и щелкните левой кнопкой мыши , чтобы выбрать первую из трех соответствующих точек выравнивания в каждой группе данных, как описано выше. После выделения, щелкнув по двум соответствующим точкам, найдите красную точку, которая появится в выбранных соответствующих позициях. Повторите этот процесс 2 раза и найдите зеленые точки для второго набора выбранных точек выравнивания и оранжевые точки для третьего набора.
   5. Найдите результат выравнивания, чтобы он появился на большей панели под двумя половинами. Если сканирование правильно выровнено (см. ПРИМЕЧАНИЕ в разделе 4.1 для получения рекомендаций по оптимальному выравниванию), переходите к шагу 4.4. Чтобы повторить процесс выравнивания, перейдите к шагу 4.3.6.
   6. Чтобы повторно выбрать точки выравнивания, просто нажмите клавишу Control + клавишу Z, чтобы отменить предыдущую работу, или щелкните поле X в правом верхнем углу каждой панели и вернитесь к шагу 4.3.1.
   7. Выполняйте эти действия до тех пор, пока предварительный просмотр результата выравнивания не станет точным.
4. Нажмите квадратную кнопку «Глобальная оптимизация » на панели инструментов в правом нижнем углу. Перейдите к экранам оптимизации, нажимая кнопку «Подтвердить » каждый раз, когда появляется соответствующий запрос.
5. После завершения оптимизации нажмите треугольную кнопку Mesh Model в правом нижнем углу экрана.
6. Выберите параметр водонепроницаемой модели при появлении запроса. Щёлкните по опции Средняя детализация.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Визуализация высокой детализации занимает гораздо больше времени и визуально не лучше, чем средняя детализация.
7. Используйте ползунки, которые появляются в левой части экрана, чтобы отрегулировать яркость до 50 и контрастность до 0 при появлении запроса.
8. Нажмите кнопку «Сохранить сканирование» на панели инструментов в правом нижнем углу. Поддерживайте коэффициент масштабирования на 100%, чтобы сохранить все исходные размеры образца.
9. Экспортируйте модель в форматы 3MF и OBJ и сохраните файл в папке, созданной в начале сканирования. Используйте соглашение об именовании, описанное в шаге 2.3.

5. Уборка

1. Используя перчатки, извлеките образец из поворотного стола. Безопасно верните образец патологоанатомической бригаде.
2. Снимите пластиковый лист и продезинфицируйте его салфеткой. Верните его в сумку.
3. Верните проигрыватель сканера и камеру в соответствующие слоты в коробке. Убедитесь, что камера защищена полиэтиленовым пакетом или коробкой.
4. Отключите все шнуры и замените их в коробке.
5. Очистите область сканирования дезинфицирующей салфеткой.

6. Виртуальное 3D-картирование образцов

1. Когда образец будет готов к обработке, настройте рабочую станцию для работы вместе с членом патологоанатомической бригады, который будет собирать образец.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Полезно использовать подставку для компьютера на колесиках, чтобы обеспечить мобильность и облегчить коммуникацию с патологоанатомической бригадой.
2. Настройте портативный компьютер и внешнюю мышь на рабочей станции. Откройте программное обеспечение для автоматизированного проектирования с рабочего стола ноутбука, чтобы виртуально аннотировать 3D-модель.
3. Нажмите кнопку «Импорт», обозначенную значком «плюс», и импортируйте ранее сохраненный файл 3mf необработанного сканирования из шага 4.9.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это программное обеспечение не имеет функции стирания ; он позволяет пользователю отменить предыдущую работу, только нажав Ctrl Z. Имейте в виду, что пользователь не сможет вернуться назад и изменить или стереть маркировку на образце после сохранения карты.
4. Виртуальный рукописный ввод
   1. Выберите инструмент «Кисть» с настройкой размера 15–30, чтобы очертить границы каждой области краски. Используйте цветовую палитру для графического представления каждой окрашенной поверхности с помощью программных цветов краски, совпадающих с истинными цветами краски.
   2. Используйте инструмент «Кисть» при настройке размера 35-45, чтобы заполнить каждый нарисованный участок соответствующим цветом.
   3. Уточните у прозектора, что все стороны, покрытые краской, правильные, и обратите внимание на анатомическую ориентацию (передняя, задняя, медиальная, латеральная, глубокая) каждой нарисованной стороны ключа.
5. Маржинальная выборка
   1. Используйте инструмент «Кисть» с настройкой размера 20-25, чтобы нарисовать перпендикулярные и сбрить (на лице) поля, выделенные с помощью цветового кодирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Например, используйте белый цвет для обозначения перпендикулярных полей, а fuschia — для обозначения полей бритья.
   2. Обозначьте каждый раздел образца цифрой или буквой, соответствующей кассете, в которую помещен каждый раздел.
6. Плоские вырезы
   1. Для любых плоских разрезов (т. е. разреза хлебной буханки полностью через образец) выберите инструмент «Плоский вырез » на панели инструментов слева. Выберите «Сохранить оба » на панели инструментов в левом верхнем углу.
   2. Нарисуйте плоские разрезы на образце точно так же, как это делал прозектор. Убедитесь, что разрезы правильные, а затем нажмите «Принять».
7. Заполнение и экспорт 3D-карты образца
   1. Подтвердите прозектором, чтобы проверить точность заполненной карты 3D-образца. Устраните все несоответствия и доработайте карту.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Пример заполненной карты образца показан на рисунке 4.
   2. На верхней панели инструментов нажмите Файл | Сохранить , чтобы сохранить карту образцов. Нажмите «Файл» | Экспорт | выбирать. 3mf для экспорта файла в формате .3mf.

7. Создание распространяемого видео

1. Откройте программное обеспечение для презентаций с рабочего стола ноутбука.
2. Озаглавьте файл слайда соответствующим именем образца, который был сопоставлен.
3. Вставьте 2D-изображения образца и расположите их на одной стороне предметного стекла.
4. Выберите «Вставить» на верхней панели инструментов. Нажмите на значок резиновой утки и выберите Вставить 3D-модель.
5. Импортируйте файл .3mf необработанного скана, созданного на шаге 4.9, и файл .3mf сопоставленного образца, созданного на шаге 6.7.2.
6. Расположите 3D-модели с помощью необработанного скана и сопоставленного скана рядом друг с другом. Расположите две модели так, чтобы они находились в одинаковой ориентации/выравнивании и имели одинаковый размер.
7. Нажмите « Анимации» на верхней панели инструментов | выберите модель #1 | выберите «Добавить анимацию | Проигрыватель | Измените длительность на 10 с | выберите По щелчку.
8. Выберите модель #2 и повторите шаг 6.8 для сопоставленного сканирования, но на последнем шаге выберите С предыдущим вместо По щелчку.
9. Выберите модель #1 и повторите шаг 6.8, но выберите «Параметры эффекта», измените направление поворотного стола на «Вверх» и выберите «После предыдущего».
10. Выберите модель #2 и повторите шаг 7.9, но на последнем шаге выберите С предыдущим.
11. Выберите панель анимации и нажмите «Воспроизвести все», чтобы убедиться, что сканы вращаются одновременно в одном направлении.
12. Чтобы создать видео, которым можно поделиться, нажмите «Файл | Экспорт | Создание видео | Выберите файл среднего размера , чтобы экспортировать .mp4 видео для отправки по электронной почте или интеграции в презентацию.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Пример финального видео показан на рисунке 5.

Результаты

С октября 2021 года по апрель 2023 года 28 онкологических образцов головы и шеи были отсканированы в 3D и виртуально картированы в соответствии с этим протоколом. Эти результаты были опубликованы^{ранее 13}. Большинство хирургических образцов представляли собой плоскоклеточный ра?...

Обсуждение

Традиционно не существует визуального представления резецированного образца рака. Патологическая обработка часто разрушает образец. Предыдущая работа продемонстрировала осуществимость и полезность 3D-сканирования онкологических образцов с последующим виртуальным аннотированием ?...

Материалы

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