מבוא לדגם וירטואלי בניתוח Orthopedic Surgery

שברים מורכבים - אלה מעורבים מספר רב של שברים, הרחבה תוך-ארטרית, או ייצוג משמעותי - מייצגים כמה מהתרחישים התובעניים ביותר בטיפול בטראומה אורתודוקסית.תכנון מסורתי מבוסס במידה רבה על גרפים דו-ממדיים ושיקום המוחי של המנתח של תבניות שברים ספציפיים, עם זאת, המגבלות הטממות של 2D לעתים קרובות להוביל להפחתה של מורכבות, השתלת לקויה, ומבחר דיגיטלי (מדומים) מ-D) מאפשר שיפור של מודלים מתקדמים (D) מ-D) על ידי שיפור של מודלים מתקדמים (D) על פני שלושה מודלים מתקדמים (D) של אבחון (D) על ידי ניתוחי-D) על ידי ניתוחי-D) על פני שלושה.

מאמר זה מספק בדיקה מעמיקה של איך נוצרות מודלים וירטואליים, היישומים הקליניים שלהם לניהול שבר מורכב, את הראיות שמאחורי היתרונות שלהם, ואת החידושים המתמשכים - כגון מציאות מוגברת הדפסה תלת-ממדית - אשר נועדו להמשיך מהפכה בתכנון כירורגי אורתודו-אופודי.

התפתחות 2D עד 3D Preoperative תכנון

מגבלות של טלגרף

במשך עשרות שנים, טלגרף פשוט שימש כמודולציה ההדמיה היחידה להערכת שבר.בעוד שעלויות אפקטיביות וזמין נרחב, צילומי רנטגן פרויקט מבנה תלת-ממדי על מטוס דו-ממדי, המוביל ל superimposition של שברים עצם, הדמיה גרועה של פני השטח האמנותיים, וחוסר יכולת למדוד עיוותים. מחקרים הראו כי בין-observerververer ו in-conobobobobconobconobconobobability in alydence in alyation in alyericial quatation of a quatticive סימולציה של , כלומר, דיסלקטיבית של דיסלקציה של דיסלקציה של דיסלקטיבית של רדיוקומית, במיוחד, כלומר, כלומר, כלומר, דיסלקציה של דיסלקציה של דיסלקציה של דיסלקציה של דיסלקציה של דיסלקציה של דיסלקטיבית של דיסלקציה של דיסלקטיבית של דיסלקציה של דיסלקטיבית של דיסלקטיבית של דיסלקטיבית של דיסלקציה של דיסלקציה של דיסלקציה של דיסלקציה של דיסלקציה של דיפרנציאלית, כאשר דיסלקציה של דיסלקציה של דיפרנציות, כאשר דיסלקציה של דיפרנציאלית

המעבר ל-Cros-Sectional Imaging

הצגת CT ו- MRI סיפקה פיסת דואר, כלילית, וחבלות שמשפרות את הגוון השבבי.עם זאת, גם עם רב-planar Reformats, המנתח עדיין היה צריך לשלב את הפרצות לתוך תמונה תלת-ממדית קוהרנטית.משימה קוגניטיבית זו תובענית וטעייה-pro-ne, במיוחד בדפוסים מורכבים עם שברים עקורים מרובים.

העבודה המוקדמת בשנות ה-90 התמקדו בקידוד ושיקום מבוסס פני השטח, אך טכניקות אלה דרשו עבודות יקרות ומומחיות מיוחדת.היום, תוכנה זולה ועיבוד מבוסס ענן יש גישה דמוקרטית, מה שהופך מודלים וירטואליים אפשריים אפילו בהגדרות מוגבלות משאבים.עבור פרספקטיבה היסטורית על ההתקדמות מ 2D ועד 3D תכנון, קוראים יכולים להפנות את הסקירה מקיפה על ידי LT:0Ries et al.

פיתוח מודלים וירטואליים: תהליך שלב-בי-שלב

צילום ושיקולים איכותיים

הבסיס של כל מודל וירטואלי הוא נתונים דימות באיכות גבוהה.עבור רוב היישומים אורתודיים, סריקת CT עם עובי ⁇ 1 מ"מ מומלץ ללכוד פרטים בוני משובח. סקים צריך להאריך לפחות 5 ס"מ מעל ומתחת לשבר כדי לכלול משטחים משותפים רלוונטיים.מטופלים צריכים להיות ממוקמים במגמה סטנדרטית למזער את החפץ המתכת ממתקן חיצוני או שתלים כי כבר ניתן לקחת בחשבון מיוחד כדי לשמור על הגדרות קוגניבות / קידוד / קידוד בזמן הגדרות קבוע.

שיקום ושיקום 3D

סגמנטציה היא תהליך של בידוד העצם (וכאשר הרצוי, רקמת רך) מן מבנים סביב כל פרוסת תמונות. חבילות תוכנה מודרנית - כגון Mimics (Materialise), OsiriX (Pixmeo), או כלי קוד פתוח כגון 3D Slicer - שימוש בשילוב של סף, אזור גדל ועריכה ידנית.המפעיל מגדיר יחידת Hounfields (HU) אשר מאפשר לאחר מכן, קטעי מתכת מורכבים כדי לבודדים, כדי למנוע את המכולות להיות מקטעים מורכבים כדי להפריד בין כלי חומרה, או להסיר את השברים מורכבים כדי לבודדים, לאחר מכן, כדי לבודדים, כדי למנוע את המכומים מורכבים כדי למנוע מקבצי חומרה, כדי למנוע מקבצי חומרה, כדי לאגורשים מורכבים.

לאחר שמפוח, משטח תלת מימדי נוצר באמצעות אלגוריתמים כמו קוביות צועדות.המודל המתקבל ניתן להפוך בצבעים משטח ריאליים, למחצה- ⁇ כדי להראות אדריכלות פנימית, או עם שברים קודים צבע.מספר המשולשים במיש משפיע הן על איכות חזותית והן על עומס חישובי חישוב; איזון הוא בדרך כלל מכה סביב 200,000-500,000 למטרות ניתוח.

אימות וסירוב

לפני מודל וירטואלי משמש לתכנון, הדיוק שלו חייב להיות מאומת.זה נעשה לעתים קרובות על ידי השוואת מדידות גיאומטריות מן המודל לאלה שנלקח ישירות מ- CT Dataset (למשל, נפח שבריר, זווית של עקירה) כמה מרכזים משתמשים בניסוי "פילנטום דיגיטלי" שבו תקן ידוע הוא סרוק ושוחזר כדי לכמת שגיאות.

Key Technologies Enabling Virtual Modeling

כמה התקדמות טכנולוגית להאיץ את אימוץ של מודלים וירטואליים באוטופודיים:

  • (FLT:0) מחשוב גבוה-Performance מחשובי (Performance ComputingFLT:1) - יצירות מודרניות של GPU-מחדש יכולות לשחזר ולהפוך מודלים תלת-ממדיים מורכבים תוך שניות, בעוד מערכות מבוגרות לקחו שעות.
  • (FLT:0) Advanced Segment AlgorithmsalLT:1) - כלי למידה עמוק למחצה (למשל, רשתות עצביות אבולוציה) מסייעים כעת בעצמות מרוצות ואפילו לטרף עם דיוק כמעט אנושי, צמצום העבודה ידנית.
  • (FLT:0Cloud-based Collaboration PlatformsFLT:1 - שירותים כמו Virtual Surgical Planning (VSP) מחברות כגון Stryker ו DePuy Synthes מאפשרות למנתח נתונים CT ולקבל מודלים תלת-ממדיים ומדריכי כירורגיים בתוך ימים, המאפשרים גישה לתכנון מומחיות ללא צוותי הנדסה בבית.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם רשומות בריאות אלקטרוניות של בריאות אלקטרונית 1FIRLT) - כמה מוסדות מטביעים מודלים וירטואליים ישירות לתוך מערכות רדיולוגיה PACS, המאפשרים השוואה בין הצדדים עם סריקות מקוריות במהלך כנסים לפני הניתוח.

עבור סקירה של כלי התוכנה האחרונים, הסקירה על ידי FLT:0Böhm et al. ב Der Unfallchirurg (2022)03FLT:1 מספקת מדריך מעשי עבור מנתחים אורתופדיים.

יישומים קליניים בתכנון מורכב Fracture Preoperative

Acetabular Fractures

שברים אציבים הם בין הניסיוניים ביותר הדורשים עקב האנטומיה התלת-ממדית שלהם ואת הקרבה של מבנים עצביים.מודלים וירטואליים מאפשרים למנתחים לסווג את השברים על פי מערכת הנטורל-ג'נט עם אמינות גבוהה יותר.על ידי הפעלת המודל, הם יכולים להעריך את הכיוון של העמודה הקדמית, עמודה אחורית, והפחתה וירטואלית של לוחמת של כל אחד מהם היא עשויה לקבוע את האפשרות של שימוש בדרגה 3 (אונדנטלית) באופן מושלם, במיוחד, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, מסייע להפחתה של אפשרות לקבוע את מידת הפחתת יכולת פעולה שאינה מתאימה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, היא יעילה יותר, היא יעילה יותר, כלומר, בין אם היא יעילה יותר, בין אם היא יעילה יותר, בין אם היא יעילה יותר, כלומר, בין אם היא יעילה יותר, בין אם היא יעילה יותר, בין אם היא יעילה יותר, בין גודלה, בין אם היא יעילה יותר, בין אם היא יעילה יותר, בין אם היא יעילה יותר, בין אם היא יעילה יותר, כלומר, בין אם היא יעילה יותר, היא יעילה יותר, היא יעילה יותר, היא יעילה יותר, היא יעילה יותר, היא יעילה יותר

רמת צמיגים

בשברי הרמה tibial, תואר של דיכאון articular, אוריינטציה קו שבר, ומעורבות של condyles הקדמי הם תכונות קריטיות.מודלים וירטואליים נגזרים CT ברזולוציה גבוהה ניתן להשתמש כדי לדמות את ההחדרה של כלים הפחתה (למשל, osteotomes, joysticks) ולתכנן מיקום חומרה - פיזור בבורגנות טרום-articular.

קלקניאל ופיללון פסים

שברים פנימיים של ה- calcaneus ו- tibial plafond לעתים קרובות כרוכים מספר שברים קטנים שקשה להפיע ב- 2D. Virtual מודלים מאפשרים המנתח להפחית באופן משמעותי את הסביבה הווירטואלית השבירה, זיהוי אשר שברים ניתן להפחית באמצעות ניתוק מוגבל לעומת אלה הדורשים חשיפה extensile.

שילוב עם טכנולוגיות סורגיות אחרות

הדפסה 3D של מודלים ומדריכים

אולי היישום הפרוקסימאלי ביותר של מודלים וירטואליים הוא היצוא שלהם הדפסה תלת מימדית. פלסטיק פיזי או העתקים של העצם השבורה ניתן להשתמש עבור סימולציה הידיים, ההתייחסות תוך-פעולה, וחינוך המטופל.כאשר מודפס בחומרים ביו-תואמים, מדריכים ספציפיים לחולה או מדריכים ספציפי של חיתוך או מקדח יכול להיות סטריליום ומשמש ישירות בחדר ההפעלה.

מציאות מורחבת ומציאות מעורבת

פיתוח מציאות מוגברת (AR) מערכות overlay מודלים וירטואליים על ראיית המנתח של שדה הניתוח בפועל, באמצעות תצוגות בראש (למשל, Microsoft HoloLens) או מערכות הקרנה. בעוד עדיין באימוץ קליני מוקדם, AR יכול לעזור לדמיין את קווי שבר עמוקים, מסלולי קידוח, ולא לאשר הפחתה מתמדת ללא פלואורסקופיה.

לדיון מפורט בבקשות AR באוטופדיות, ראה את הביקורת השיטתית האחרונה על ידי FLT:0Wagner et al. in (2023)

עדויות ויתרונות של תכנון וירטואלי

שיפור השקיפות הסורית

מחקרים השוואתיים רבים הראו כי תכנון וירטואלי מפחית את הפער בין הפחתה מתוכננת והשגתית. בניתוח אצטימטובארי, שיעור ההפחתה האנטומית (גפסים וצעדים <2 מ"מ) גבוה באופן משמעותי במקרים שהשתמשו בתכנון 3D. בדומה, בשברים ברמת ייצוב, שלב פני השטח שלאחר הניתוח הוא בממוצע 1.5 מ"מ פחות מאשר תכנון קונבנציונלי.

זמן קצר והפסד דם

מכיוון שהניתוח כבר חזר על הפחתה נפשית של השלבים והעמדות החומרה, קבלת ההחלטות הבלתי-אקטיבית נחקרת.טווח חיסכון בזמן מ-20 עד 45 דקות בהתאם למורכבות השבירה.זה בתורו מקטין אובדן דם, חשיפה הרדמה, והסיכון לסיבוכים של הפצעים.מחקר קבוצתי פוטנציאלי של FLT:0Mao et al. (2021) בכתב העת Ortho of Orthoedicirdicirdicriatedration for arthritis for arthritiserthertherthertherthertherthtologicalerthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthrethertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherthertherth in arthritis, and arthritis

שיפור תקשורת צוות וחינוך

מודלים וירטואליים משמשים שפה חזותית נפוצה בין המנתחים, התושבים, הרדיולוגים ונציגי השתל. במהלך כנסים preoperative, המודל ניתן לסובב, דחוס, נמדד בזמן אמת, המאפשר קבלת החלטות שיתופית.הם גם כלים חינוכיים מצוינים לאימון תושבים: מחקר הראה כי תושבים כירורגיים אשר מתרגלים מודלים וירטואליים לפני מקרה מבוצע טוב יותר בהערכה אובייקטיבית של הפחתה מאשר אלה שנבדקו רק 2D תמונות.

אתגרים ומגבלות

למרות יתרונות ברורים, כמה מחסומים מונעים אימוץ אוניברסלי:

  • (FLT:0)Time and CostveFLT:1) - יצירת מודל וירטואלי עדיין דורש 30-60 דקות של פילוח ידני ואימות, גם עם כלים אוטומטיים.רישי תוכנה מיוחדים וציוד הדפסה 3D מייצגים השקעה משמעותית במעלה.
  • (FLT:0) למד את CurveFLT:1 - המנתחים חייבים להכיר את סביבת התוכנה ולא יכול לתכנן ביעילות ללא הכשרה. קורסים ייעודיים ושותפויות בתעשייה עוזרות, אבל שילוב של זרימת עבודה קלינית עסוקה נשאר מכשול.
  • (FLT:0) Data ManagementigtureFLT:1) - מאגרי נתונים גדולים של CT וקבצי mesh 3D דורשים אחסון נאות, ושיתוף מודלים על פני מוסדות מעלה חששות פרטיות.
  • (FLT:0) תקנת ההסכמה ל AR/VRIRLT 1:1 - עבור מערכות מציאות מוגברת, היערכות מושלמת בין המודל הווירטואלי לבין המטופל האמיתי מאתגרת מבחינה טכנית בשל עיוות רקמות רכות ומיקום המטופל.

מחקרים מתקדמים נועדו לענות על נושאים אלה.לדוגמה, שירותים מסחריים מבוססי ענן כגון אלה המוצעים על ידי חומריות וסטריקר עכשיו לספק מודל מנויים כי להפחית עלויות למעלה, ואת ה- FDA הוא מבוקש עבור כלי פלח מקטעי AI-automated.

כיוונים עתידיים

בינה מלאכותית ותכנון אוטומטי

למידה עמוקה מתקדמת במהירות פלח העצם האוטומטית.קבוצות מחקר שונות פרסמו אלגוריתמים המפרקים את העובר או טיטה בתוך 30 שניות עם דיוק דומה למומחים ידניים.הצעד הבא הוא לסווג באופן אוטומטי מורפולוגיה השבירה, להציע שלבים ואפילו לייצר עיצובי השתלים ספציפיים לחולה.

סימולציה ביולוגית

מודלים וירטואליים נוכחיים הם גיאומטריים; הם אינם מהווים חשבון לנכסים חומריים של כוחות העצם או השרירים.התוכנית "סימולציה ביולוגית" יכולה ליישם עומסים וירטואליים כדי להעריך את השבר יציבות לאחר תיקון. המנתחים יכולים להשוות את ההתפלגות הצפויה תחת תצורה שונה של שתלים, ייתכן שהימנעות מכישלונות.דוגמאות מוקדמות כוללות ניתוח אלמנט סופי של בניית צלחות בתוך העצם האוסטאוסטרוטית.

שילוב עם רובוטיקה וניווט

ניתן להעביר נתונים של תכנון וירטואלי למערכת ניווט כירורגית או זרוע רובוטית כדי לבצע את התוכנית עם דיוק תת-מילימטרי.זה אומץ מאוד בעמוד השדרה ואומנות משותפת, אבל ניווט לטראומה (למשל, תיקון בורג חטוף של שברים אצטאביים) גדל.שלב תכנון וירטואלי עם מעקב בזמן אמת יכול למזער את הזרמים וחשיפה נוספת של קרינה.

שלב 3D הדפסה

בתי החולים מתחילים להקים ב-house 3D מעבדות הדפסה שיכולות להפוך מודל או מדריך בתוך כמה שעות. גישה זו "נקודת טיפול" מאיצה את ציר הזמן המתוכנן, המאפשרת ניתוח באותו יום או יום אחר למקרים מורכבים.האתגר הוא שמירה על בקרת איכות וציות רגולטוריות, אבל חברות מקצועיות מתפתחות הנחיות.

המלצות מעשיות לאימוץ

עבור קבוצות כירורגיות שוקלות ליישם מודלים וירטואליים עבור שברים מורכבים, השלבים הבאים מוצעים:

  1. התחל עם סוג שבר גבוה כרכים (למשל, אצטיבולי או cal) כדי להצדיק את ההשקעה וליצור ניסיון.
  2. להשקיע בפרוטוקול CT העומד בסף איכות פלח - פרוסות דקות, פריטים מינימליים.
  3. תכנן אחד או שניים חברי צוות להיות מיומנים בתוכנות פלח; להשתתף סדנאות או Webinars.
  4. התחל עם תכנון וירטואלי לבד; להוסיף הדפסה תלת מימד ו / או ניווט רק לאחר הצוות נוח.
  5. תוצאות מעקב (זמן פעיל, איכות הפחתה, סיבוכים) כדי לבנות ראיות מוסדיות לטכניקה.

שיתוף פעולה עם מהנדסי ביו-רפואי או מומחי רדיולוגיה יכול להחליק את עקומת הלמידה הראשונית.ב-תעשייה-בשורה (למשל, אלה המוצעים על ידי DePuy Synthes) לספק הדרכה באמצעות מקרים קליניים אמיתיים.

מסקנה

הפיתוח של מודלים וירטואליים לתכנון preoperative של שברים מורכבים מייצג שינוי פרדיגמה בניתוח אורתופדי. על ידי המרת הדמיה תלת-ממדית לתוך העתקים תלת-ממדיים אינטראקטיביים, המנתחים מקבלים הבנה עמוקה יותר של האנטומיה השבעה, יכול לדמות אסטרטגיות הפחתת ותיקון, בעוד יכול לתקשר תוכניות ביעילות רבה יותר עם הצוותים שלהם זמין הוכחה באופן עקבי לשיפורים בהפחתה, זמן ניתוח מופחת, ותוצאות מלאכותיות כמו אינטליגנציה מלאכותית, תוך כדי שינוי מודלים של זמן, החלים, החלים, החלים של חמש שנים של תהליכי אימון חזותיים, ושינויים מתקדמים, ושינויים מתקדמים, המשתנים באופן עקבי, על פני השטחיים, המשתנים, על פני חמש שנים של מודלים מתקדמים, על פני השטחיים, על פני השטחיים, המשתנים, הסימולציות מהירות גבוהה יותר, קרוב יותר, ושינויים מתקדמים, על פני השטח של תהליכי אימון, על פני השטח של תהליכי אימון, עומד על פני השטח של תהליכי אימון, הסימולציות מהירות גבוהה יותר, מודלים מתקדמים, ושינויים מתקדמים, הסימולציות מהירות גבוהה יותר, מודלים של תהליכי אימון, קרוב יותר, על פני מודלים של תהליכי ניהוליים, על פני השטח של שיטות אימון, קרוב יותר, הסימולציות מהירות חזותית, עומד על פני השטח של תהליכי אימון, ו

מנתחים אשר מאמצים טכנולוגיות אלה כיום אינם רק משפרים את הטיפול בחולים הנוכחיים שלהם, אלא גם בונים את הכישורים והתשתית הדרושים לעתיד של ניתוח טראומה אוטופודי.