[論文レビュー] 3D Augmented Reality-Assisted CT-Guided Interventions: System Design and Preclinical Trial on an Abdominal Phantom using HoloLens 2

Brian Park, Stephen J. Hunt+2 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2020

Advanced Radiotherapy Techniques参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Microsoft HoloLens 2を用いた3次元拡張現実（AR）支援ナビゲーションシステムを提案し、特に非平面状の病変を対象としたCTガイドド介入の改善を図った。腹部プローブを用いた前臨床試験において、ARガイドにより針挿入回数が54.2％（7.4回から3.4回）減少し、被ばく線量は41.0％低下し、非標的病変への損傷も完全に回避された。また、経験の異なるすべての医療スタッフにおいて一貫した性能が得られた。

ABSTRACT

Background: Out-of-plane lesions pose challenges for CT-guided interventions. Augmented reality (AR) headset devices have evolved and are readily capable to provide virtual 3D guidance to improve CT-guided targeting. Purpose: To describe the design of a three-dimensional (3D) AR-assisted navigation system using HoloLens 2 and evaluate its performance through CT-guided simulations. Materials and Methods: A prospective trial was performed assessing CT-guided needle targeting on an abdominal phantom with and without AR guidance. A total of 8 operators with varying clinical experience were enrolled and performed a total of 86 needle passes. Procedure efficiency, radiation dose, and complication rates were compared with and without AR guidance. Vector analysis of the first needle pass was also performed. Results: Average total number of needle passes to reach the target reduced from 7.4 passes without AR to 3.4 passes with AR (54.2% decrease, p=0.011). Average dose-length product (DLP) decreased from 538 mGy-cm without AR to 318 mGy-cm with AR (41.0% decrease, p=0.009). Complication rate of hitting a non-targeted lesion decreased from 11.9% without AR (7/59 needle passes) to 0% with AR (0/27 needle passes). First needle passes were more nearly aligned with the ideal target trajectory with AR versus without AR (4.6° vs 8.0° offset, respectively, p=0.018). Medical students, residents, and attendings all performed at the same level with AR guidance. Conclusions: 3D AR guidance can provide significant improvements in procedural efficiency and radiation dose savings for targeting challenging, out-of-plane lesions. AR guidance elevated the performance of all operators to the same level irrespective of prior clinical experience.

研究の動機と目的

• CTガイドド介入における非平面状病変の標的化という臨床的課題に対処すること。
• HoloLens 2を用いた3次元拡張現実ナビゲーションシステムを設計・評価し、リアルタイムの手技支援を提供すること。
• 経験の異なる医療スタッフの間で、手技の効率性、被ばく線量、正確性の向上を評価すること。
• ARガイドが医療トレーニーと医師の両方において性能を標準化できるかどうかを検証すること。

提案手法

• CT画像データとHoloLens 2によるリアルタイム空間追跡を統合した3次元ARナビゲーションシステムを開発した。
• フィドーシャルベースの登録を用いて、CT画像とARビューを一致させ、物理的プローブ上に仮想の3次元針ガイドをマッピングした。
• HoloLens 2ヘッドセットを通じて、オペレーターの視野内に針の経路、標的、進行方向をリアルタイムで可視化可能にした。
• 腹部プローブを用いた前向きで盲検の試験を実施し、AR支援と従来のCTガイドド針挿入を比較した。
• 最初の針挿入の理想経路との整合性をベクトル解析により定量評価した。
• 手技の効率性（挿入回数）、被ばく線量（DLP）、合併症発生率（非標的病変への被撃ち）を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元ARガイドは、CTガイドド介入における標的到達に必要な針挿入回数を減少させることができるか？
• RQ2 ARガイドは、CTガイドド手技における被ばく線量の暴露を顕著に低減するか？
• RQ3 ARガイドは、特に非平面状病変の標的精度を向上させることができるか？
• RQ4 ARガイドは、非標的構造への被撃ちといった合併症のリスクを低減するか？
• RQ5 ARガイドは、臨床経験の異なる医療スタッフ間で性能を均一化するか？

主な発見

• ARなしでは平均7.4回であった針挿入回数が、ARありでは3.4回に減少し、54.2％の削減（p = 0.011）が認められた。
• DLP（線量長積）は、ARなしで538 mGy-cmからARありで318 mGy-cmに低下し、41.0％の削減（p = 0.009）が確認された。
• 非標的病変への被撃ち合併症発生率は、ARなしで11.9％（59回中7回）からARありで0％（27回中0回）に低下した。
• 最初の針挿入では、ARガイド下で理想経路とのずれが顕著に小さく、4.6°（ARあり）対8.0°（ARなし、p = 0.018）の差が認められた。
• 医学生、レジidency、医師の全員がARガイドにより同等の性能を達成したため、性能の標準化が確認された。
• システムは、医療スタッフの経験水準に関係なく、すべての指標で一貫した改善効果を示した。