Virtual surgical planning of a mandibular reconstruction with a vascularized free fibula flap: feasibility comparison between open source and commercial software

Wist u dat heden ten dage operaties in 3D gepland kunnen worden? De software die 3D-planning gebruikt wordt, is goedgekeurd door the European Medical Device Regulation en komen qua kosten op jaarbasis neer op de prijs van een grote gezinswagen.

Het antwoord op de vraag of het mogelijk is om een operatie met gratis software te plannen kan ik u al verkappen “ja het is mogelijk”.  Er dient wel een kanttekening gemaakt worden bij deze ja. Het is mogelijk voor een onderkaaksreconstructie met een kuitbeen maar het is nog niet mogelijk voor alle operaties.

Hoe is dit onderzoek tot stand gekomen?

Dit onderzoek is tot stand gekomen tijdens mijn stage in het faciaal centrum van UZ Gent bij Dr Coopman tijdens mijn opleiding als zorgtechnoloog aan de VIVES hogeschool. Tijdens mijn stage kreeg ik de opportuniteit om met de software van Materialise® te werken om operaties te plannen. Tijdens dergelijke planning gebeuren er drie stappen namelijk: segmentatie, planning en design. 

Afbeelding 1 workflow virtuele chirurgische planning A: segmentatie; B: osteotomie plaatsen van zaagsnede; C: reconstructie met kuitbeen; D: design guides

Workflow virtuele chirurgische planning

De segmentatie houdt in dat men van uit CT beelden 3D beelden van de zorgvrager ontwikkelt op basis van de grijswaarde van de structuur die men nodig heeft. (zie afbeelding 2) Tijdens de segmentatie wordt de onderkaak van de schedel onderscheidt zodat men deze vrij kan bewerken in het latere proces.

Afbeelding 2  Vergelijking segmentatie links betalende software Materialise; rechts gratis software 3D-slicer
A) Sagitaal zicht CT-scan. B) Axiaal zicht CT-scan. C) Coronaal zicht CT-scan. D) 3D projectie vanuit CT

De volgende stap is de planning.  In deze fase wordt er bepaald welk deel van de onderkaak er verwijderd wordt en op welke manier een reconstructie gemaakt kan worden met stukken van het kuitbeen.

Er valt meteen op dat bij de betalende software er CT ondersteuning is. De bewerkingen in 3D worden ook weergegeven in de CT beelden hierdoor ziet de chirurg wat er gebeurt met de omliggende weefsels. Materialse® maakt gebruik van een algoritme om het onderbeen in de onderkaak te plaatsen, bij de gratis software zijn deze ondersteuningen er niet. (afbeelding 3)

Afbeelding 3 Vergelijking virtuele planning links betalende software Materialise®; rechts gratis software Blender A: 3D reconstructie; B: reconstructie op CT; C: onderdelen verwijdert uit kuitbeen; D: 3D reconstructie blender

Tenslotte wordt tijdens het designproces de planning tastbaar gemaakt door middel van de guides. Guides zijn 3D-geprinte hulpstukken die op de botten gemonteerd worden. Deze guides zijn gepersonaliseerd en ondersteunen de chirurg tijdens de operatie om de geplande zaagsneden correct uit te voeren.

Afbeelding 4 vergelijking design links betalende software Materialise®; rechts gratis software blender

Stappenplan onderzoek

De eerste stap was het zoeken naar een geschikt gratis software pakket . Er werden verschillende software-paketten vergeleken, op basis van functionaliteit, eenvoud, … . Blender, een software pakket voor het maken van games, filmpjes en 3D animaties, werd het meest geschikt bevonden.

De tweede stap was het zoeken naar de snelst mogelijke workflows.  Naast het uitschrijven van de workflows, werden er youtube-tutorials voor Blender gemaakt.  Op deze manier kan het programma via zelfstudie aangeleerd worden.

Tot slot werden de workflows getest door 5 coassistenten  geneeskunde. Zij leerden  werken met beide workflows. Na twee trainingssessies werd er gekeken welk softwarepakket het snelste werkte en de minste handelingen nodig had.

Vergelijking

In Materialise® zijn er 91 minuten nodig en 2325 klik in Blender duur 111 minuten en 1876 kliks.  Er zijn dus duidelijke verschillen. Materialise® werkt sneller maar heeft meer handelingen nodig.  Het gaat sneller omdat Materialise® er een vaste workflow is voor elke operatie en elk stap volgt uit de vorige. Blender biedt niet de mogelijkheid van stappen in een vaste workflow waardoor het soms zoeken is in de tutorial waar men juist zit. Blender heeft minder muis kliks nodig doordat er gebruik wordt gemaakt van shortkeys, het zorgt ervoor dat er niet gezocht moet worden naar de juiste functie  in de tabbladen.

Beide programma’s kunnen nog versneld worden door extra te programmeren. Vooral in Blender kan het proces nog een heel stuk versneld worden. Beginnend met een algoritme te maken voor de reconstructie met het kuitbeen.

Meerwaarde van het onderzoek

De gratis software heeft vooral een educatieve meerwaarde voor studenten met een interesse in 3D of de medische sector in het algemeen. Ze kunnen hiermee oefenen op het maken van planningen voor operaties, want voor een student is het alternatief programma niet betaalbaar.

Ook ziekenhuizen met kleinere budgetten kunnen op deze manier patiënten helpen in plaats van deze door te verwijzen. Deze ziekenhuizen kunnen een grotere populatie aan patiënten helpen zonder deze jaarlijkse kost te maken. Vaak zien deze kleinere ziekenhuizen ook niet zoveel patiënten waarbij deze technologie kan toegepast worden en kunnen ze de kost er niet mee drukken.

Conclusie

Algemeen zorgt 3D software in de chirurgie voor een tijdswinst in het operatiekwartier als in het voorbereiden van een operatie. De zorgvrager krijgt een duidelijke visualisatie van wat er juist gaat gebeuren. Dit zorgt voor een empowering van de patiënt. Daarnaast zijn er voor de patiënt voordelen voor de revalidatie en beperken van complicaties.

Deze bachelorproef toont aan dat het mogelijk is om te leren werken met 3D software zonder de zware kost ervan. Ziekenhuizen kunnen bekijken of deze technologie een meerwaarde heeft. Voor studenten en chirurgen heeft het een enorme educatieve waarde en voor de burger en zorgvrager een prijsreductie, omdat de dure software niet altijd nodig is.

De vooruitzichten van technologie in de zorg zijn mooi maar moeten altijd met Argusogen bekeken worden. Ze zullen nooit de medici en paramedici kunnen vervangen maar wel helpen in de werklast te verlagen. Nieuwe technologieën zorgen er ook voor dat bedrijven uitgedaagd worden om steeds verder te gaan zoeken naar vernieuwingen en hoe de zorg verbeterd kan worden.