Three dimensional display and printing of heart models – new tools for planning surgery and interventions in congenital heart disease

Dette postdoc-prosjektet ved Intervensjonssenteret (IVS), OUS, har hatt som mål å utvikle metoder og arbeidsflyt for, og teste pasientspesifikke 3D-hjertemodeller for planlegging av hjertekirurgi. Hovedresultater er en validert og etterspurt klinisk tjeneste og et spinoff-selskap (HoloCare AS) som har sin første CE-merkede applikasjon i markedet. Modellene er laget av bildedata fra CT, MR og ultralyd fra barn med medfødt hjertefeil og ble først 3D printet. En veiledet informatikk-masteroppgave (UiO) vurderte ulike materialer, og vi erfarte at myke materialer er best å bruke men vanskeligst å printe med og krever svært dyre printere for optimalt resultat. I 2017 tilbød SopraSteria samarbeid om å lage program for å bruke modellene som hologrammer i mixed reality 3D briller (HoloLens). Dette satte fart i interessen fra kirurgisk miljø, da metoden var enklere, raskere og mer fleksibel i bruk. Egne AI-algoritmer for omdanning av røntgenbildene til 3D-modeller ble utviklet i samarbeid med ingeniører ved IVS, og publisert. Disse effektiviserte arbeidet vesentlig. Utvikling av hologramløsningen med spinoffselskapet HoloCare AS, delfinansiert ved BIA-prosjektet "HoloCare Cloud" (NFR), utkonkurrerte 3D-printene raskt. Hologrammene ble testet ut ved planlegging av barnehjertekirurgi som tillegg til konvensjonelle bilder, med måling av endringer i operasjonsplan og brukererfaringer i en prospektiv studie. 3D-modellene ble svært etterspurt fra brukerne, og hovedresultater er at de har tilleggsbetydning i kirurgisk planlegging i over halvparten av tilfellene. Vi ser en foreløpig trend til færre komplikasjoner når hologram-planen følges. Brukeropplevelsen er overveiende svært positiv, dvs over 80 % av responsene innen ulike temaer i brukerundersøkelsene er positive. Hologramapplikasjonen ble videreutviklet i flere trinn og er klar for reguleringsarbeid i regi av HoloCare A/S før den kan tas i rutinemessig klinisk bruk. En applikasjon for mixed reality pasientspesifikk modellering av hjerteimplantat (patch for lukking av ventrikkelseptumdefekt) er utviklet og testet for validering i 2023 i samarbeid med PhD, Matthias Lippert ved IVS. Metode for sanntids holografisk visning av 3D-hjerteultralyd ble utviklet med PhD, Dharani Maddali (Informatikk UiO). Denne er testet ut av kliniske brukere og publisert. Validering av holografisk 3D ekkokardiografi ble gjort i en fantom-modell for en hjerteintervensjon og publikasjon er sendt inn. I et innovasjonsprosjekt har vi utviklet en egen applikasjon (HoloValve) for planlegging av mini invasiv mitralklaffkirurgi. I tillegg har prosjektet bidratt til utviklingen av en robot for transøsofagal ekkokardiografi, publisert ved PhD stipendiat Reza Sajadi, UiO IFI. Prosjektet har også bidratt til en studie av behandling av DORV (dobbelt utløps høyre ventrikkel) som er en av pasientgruppene der 3D print og hologram er økende brukt i planlegging av operasjon. Vi har vær ansvarlig for delstudie i EU Erasmus prosjekt (MIREIA) som undersøker bruk av 3D print og hologram som pedagogisk verktøy i medisinutdanning med resultat at hologram gir bedre anatomisk forståelse enn både 3D print og vanlige snittbilder i undervisning av medisinstudenter. Oppsummert har hologramteknologien som er utviklet og testet i prosjektperioden vært dypt integrert i klinisk arbeidsflyt og studieresultatene og tilbakemeldingene tyder på at den bidrar til bedre planlegging av kompleks hjertekirurgi og kan redusere risiko for komplikasjoner. Flere PhD prosjekter (som veiledes/biveiledes postdoc stipendiaten) benytter teknologien i utviklings og forskningsarbeid knyttet til hjertediagnostikk og behandling. Prosjektet kontinueres med midler fra EU-prosjektene 5GHEART og MIREIA og nye bruksområder for hologrammene er telemedisin og utdanning. Postdoc-stipendiaten søker 2023 om 40 millioner NOK til et Marie Curie EU prosjekt blant annet med mål å lage multidmodale sanntids hjertehologrammer for navigering av kateterintervensjoner. Prosjektet har i alle sine deler handlet om å utvikle nye løsninger for bedre helsetjeneste innenfor hjertediagnostikk og planlegging av behandling for strukturelle hjertefeil, inkludert medfødte hjertefeil og ervervede klaffefeil. Det har ledet til utvikling av en HoloLens2 applikasjon (TruHeart), overført gjennom Inven2 til spin-off selskapet HoloCare AS som nylig fikk sin første applikasjon CE-merket for levertumorkirurgisk planlegging. Nordisk samarbeid for datainnsamling er etablert med tanke på godkjenning av hjerteapplikasjonen så denne skal kunne tas i klinisk bruk, noe som er svært etterspurt. Det er etter studieperioden vanskelig å tenke seg en klinisk barnehjertekirurgisk hverdag uten tilgang til en 3D-visualiseringsmetode. Nye prosjekter knyttet til holografisk visualisering og også 3D print for spesielle problemstillinger er aktuelle i påvente av godkjente løsninger. Prosjektet har bidratt til økt fokus på og bruk av 3D printede modeller for kirurgisk planlegging også i andre fagområder, som ortopedi og maxillofacial kirurgi. Med nye digitale anatomiske 3D printere virker det sannsynlig at kirurger i fremtiden vil læres opp og planlegge komplekse operasjoner på pasientspesifikke 3D print innen ulike organsystemer. Innen hjertekirurgi og intervensjoner peker resultatene i prosjektet på at ulike former for holografisk visualisering vil være en sentral metode. Med økt bruk av AI for bildebearbeoiding antar vi at holografisk visualisering vil inngå som en tjeneste ved alle større sykehus i fremtiden, rettet mot så godt som alle kirurgiske fag. Løsningene vil bidra til økt utbytte av medisinske bildedata, mindre invasiv kirurgisk behandling med færre komplikasjoner og bedre effektivitet og økonomi for helsetjenesten. Fra Intervensjonssenterets side har vi søknad inne som koordinator for et 15PhD EU prosjekt for å ta teknologien videre til sanntidsbruk under kateterbasert hjerteintervensjon og det arbeides med SFI-søknad der den utviklede teknologien inngår som grunnlag.