title: Cinematic rendering in mixed-reality holograms: a new 3D preoperative planning tool in pediatric heart surgery
title: Cinematic Rendering in Mixed-Reality Hologrammen: Ein neues präoperatives 3D-Planungsinstrument in der Kinderherzchirurgie
Creators: name: Kordowich, Pia
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Hintergrund und Ziele: Die dreidimensionale (3D) Bildgebung hat in der Medizin in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Durch den kontinuierlichen Fortschritt auf diesem Gebiet wird eine immer realitätsgetreuere und präzisere Darstellung von anatomischen Strukturen ermöglicht. Ein anschauliches Beispiel für diesen Progress stellt der 2016 eingeführte Rendering Algorithmus „Cinematic Rendering“ (CR) dar. Durch die Imitation natürlicher Lichtinteraktion generiert CR aus dem Datensatz einer Schnittbildgebung eine äußerst realistische 3D-Darstellung mit verbesserter Form- und Tiefenwahrnehmung im Vergleich zu bisher etablierten Rendering Algorithmen. Bisher war die Darstellung von CR lediglich am zweidimensionalen (2D) Computerbildschirm möglich. Durch eine kürzlich entwickelte syngo.via Anwendung „Cinematic Reality“ kann CR nun in ein Mixed-Reality-Gerät integriert und so in den 3D-Raum transferiert werden. Diese neu entwickelte Darstellungsmethode soll in dieser Studie erstmalig im klinischen Einsatz in der Kinderkardiologie erprobt werden. Darüber hinaus soll durch die Gegenüberstellung mit einer bereits etablierten 3D-Darstellungsmethode, dem 3D-Druck, eine Einordnung des potenziellen Mehrwertes erfolgen. Methoden: Der Studienzeitraum erstreckte sich von Februar bis August 2019. Als Einschlusskriterium galt das Vorliegen einer präoperativen Schnittbildgebung. Die durch die Schnittbildgebung gewonnenen Daten wurden für die Generierung der CR-Hologramme sowie der 3D-Drucke herangezogen. Für die virtuelle 3D-Darstellung wurde der Datensatz direkt mit Hilfe des Computerprogramms Cinematic Reality auf die Mixed-Reality-Brille (HoloLens®) geladen. Für die Erstellung des 3D-Drucks wurden die Daten zunächst mit Hilfe der 3D-Modelliersoftware 3D Slicer (Version 4.11; http://www.slicer.org) weiterverarbeitet, um anschließend durch den 3D-Drucker aus Kunstharz gedruckt zu werden. Präoperativ wurde dem Kinderherzchirurgen zunächst die Schnittbildgebung und anschließend die zu evaluierenden 3D-Darstellungsmethoden in Form eines CR-Hologramms sowie eines 3D-Drucks präsentiert. Hierbei wurden die CR-Dateien sowohl in 2D am Computerbildschirm als auch im 3D-Raum präsentiert. Über einen Fragebogen bestehend aus 22 Einzelfragen bewertete der Operateur auf einer 5-stufigen Likert-Skala die beiden 3D-Techniken (CR-Hologramm, 3D-Druck) jeweils im Vergleich zur 2D-Schnittbildgebung. Die Einzelfragen wurden hierbei in die folgenden 5 Subgruppen zusammengefasst: 3D-Effekt, Präsentation der Pathologie, Auflösung anatomischer Strukturen, Kosten-Nutzen-Verhältnis und Einfluss auf die Operation. Zudem wurde die intraoperative Präparationszeit erfasst und mit einer retrospektiv gematchten Kontrollgruppe aus Patientinnen und Patienten, bei welchen keine präoperative 3D-Darstellung angewendet worden ist, verglichen. Die statistische Analyse der Ergebnisse erfolgte mittels IBM SPSS statistics (Version 21; IBM, Armonk, USA). Das Signfikanzniveau wurde durch p &lt; 0.05 definiert. Ergebnisse und Beobachtungen: Sowohl CR-Hologramme als auch 3D-Drucke, zeigten einen klaren Vorteil gegenüber der Darstellung der Schnittbildgebung am 2D-Bildschirm. Lediglich bei der Beurteilung der Koronarien sowie intrakardialer Strukturen, konnte kein Mehrwert identifiziert werden. CR-Hologramme wurden in allen 5 Kategorien signifikant besser bewertet als die 3D-gedruckten Modelle (Mittelwert Likert Skala: 4.4 ± 1.0 vs. 3.7 ± 1.3, p &lt; 0.05). Vor allem in der Tiefenwahrnehmung (4.7 ± 0.7 vs. 3.7 ± 1.2), sowie der Präsentation der Pathologie (4.4 ± 0.9 vs. 3.6 ± 1.2) zeigten sich die hochauflösenden Hologramme überlegen. Bei der Analyse der Präparationszeiten konnte eine signifikante Verkürzung durch die präoperative Verwendung räumlicher 3D-Bildgebung nachgewiesen werden (n = 24, 59 ± 23 min vs. 73 ± 43 min, p &lt; 0.05). Insbesondere bei Operationen, in welcher der Operateur auch subjektiv die 3D-Bildgebung als hilfreich bewertete, zeigte sich eine reduzierte Präparationszeit. Schlussfolgerungen: CR-Hologramme stellen ein vielversprechendes neues 3D-Bildgebungstool dar. Durch die Kombination der realistischen Darstellung in CR und der räumlichen Präsentation mittels Mixed-Reality-Brille wird eine enorm gute 3D-Bildwahrnehmung erzielt. Die präoperative Vorbereitung kann mit ihrer Hilfe optimiert, und dadurch das Operationsergebnis potentiell verbessert werden. Aufgrund des Mehrwertes von CR-Hologrammen im Vergleich zu 3D-Drucken in allen hier analysierten Aspekten, haben vor allem CR-Hologramme das Potential in Zukunft insbesondere bei komplexen Fragestellungen zum Standard 3D-Bildgebungsinstrument in der Kinderherzchirurgie zu werden.