基于三維超聲成像的軟組織外科導(dǎo)航技術(shù)的臨床應(yīng)用進(jìn)展

楊成帥 綜 述 張詩雷 審 校

基于三維超聲成像的軟組織外科導(dǎo)航技術(shù)的臨床應(yīng)用進(jìn)展

楊成帥 綜 述 張詩雷 審 校

近年來醫(yī)學(xué)影像技術(shù)飛速發(fā)展，通過將多模式的醫(yī)學(xué)圖像整合到手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中，可以有效提高外科手術(shù)的精確性和靈活性，增加手術(shù)安全性并縮短手術(shù)時間。我們對近年來新興的基于三維超聲成像的軟組織外科導(dǎo)航技術(shù)，在醫(yī)學(xué)外科領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，系統(tǒng)闡述了其原理、臨床應(yīng)用及優(yōu)缺點。

三維超聲軟組織導(dǎo)航外科

1 概述

外科手術(shù)導(dǎo)航是指以CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過術(shù)中與術(shù)前影像融合，建立虛擬現(xiàn)實空間，結(jié)合三維可視化技術(shù)進(jìn)行手術(shù)模擬，并借助各種定位儀器跟蹤術(shù)中手術(shù)器械相對于人體組織器官的位置關(guān)系，從而引導(dǎo)醫(yī)生更為安全、高效地開展手術(shù)[1]。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)通過在手術(shù)過程中不斷跟蹤手術(shù)進(jìn)程，向醫(yī)生提供導(dǎo)航信息，引導(dǎo)醫(yī)生調(diào)整手術(shù)路徑及方法，可有效地降低手術(shù)風(fēng)險，提高手術(shù)的成功率。

手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)起源于神經(jīng)外科的框架式立體定向技術(shù)。上世紀(jì)80年代，隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是CT、MRI在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使立體定向?qū)Ш郊夹g(shù)進(jìn)入了無框架引導(dǎo)手術(shù)的模式。1986年，Roberts等在CT影像引導(dǎo)下實施無框架立體定位顯微手術(shù)并取得成功，首次提出了無框架立體定位手術(shù)的概念[2]。此后，基于圖像引導(dǎo)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一系列的改進(jìn)和變化。從最初的機(jī)械臂跟蹤系統(tǒng)，發(fā)展為如今的主動或被動的光學(xué)、電磁定位三維動態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)，并在臨床上廣泛應(yīng)用。其優(yōu)勢在于：①精確定位術(shù)區(qū)解剖結(jié)構(gòu)及病理組織；②術(shù)前仿真模擬，制定手術(shù)計劃；③控制切除范圍和手術(shù)入路，保護(hù)重要結(jié)構(gòu)組織[3]。目前使用的多數(shù)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，主要是針對無形變的骨性結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)航系統(tǒng)在骨性或硬性結(jié)構(gòu)框架內(nèi)的操作準(zhǔn)確性較好，但在涉及軟組織的手術(shù)時，用于術(shù)中導(dǎo)航的術(shù)前圖像無法實時反映術(shù)中軟組織的形態(tài)，容易出現(xiàn)較大定位偏差。主要為手術(shù)中各解剖結(jié)構(gòu)間的位置發(fā)生變化或軟組織產(chǎn)生形變，如胸腹手術(shù)中患者呼吸或心跳的影響、術(shù)中體位的移動或改變、軟組織由于按壓等引起的形變、手術(shù)操作如切除引起的組織結(jié)構(gòu)變化等。因此，迫切需要新的能夠跟蹤反映組織形變的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，以滿足實際工作的需要[4]。

為了解決術(shù)中軟組織形變引發(fā)的難題，以提高術(shù)中定位精度，目前是在術(shù)中引入CT、MRI，利用術(shù)中獲得的形變后的軟組織斷層圖像與術(shù)前影像配準(zhǔn)融合后，根據(jù)融合后的圖像進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航。但由于術(shù)中CT/MRI并非實時連續(xù)成像，產(chǎn)生的電離輻射會對患者造成二次創(chuàng)傷[5]，且因所需設(shè)備龐大復(fù)雜、掃描圖像耗時較久和成像速度慢等問題，使得該方法難以普及應(yīng)用。而超聲診斷技術(shù)在現(xiàn)代臨床診療中有著獨特的應(yīng)用優(yōu)勢，具有價廉、應(yīng)用廣、實時性強(qiáng)，且對患者無電離輻射損傷等優(yōu)點。尤其在手術(shù)過程中，超聲診斷對于手術(shù)器械和人體臟器的影響很小，并能實時反映術(shù)中軟組織解剖結(jié)構(gòu)的改變，因此近年來得到了極大的關(guān)注。

早期的相關(guān)研究，主要是基于術(shù)中二維超聲圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)。但是，基于二維超聲圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航存在著很多問題，例如：術(shù)中僅能提供人體斷面的二維圖像，缺乏直觀性，需要醫(yī)生根據(jù)解剖知識和臨床經(jīng)驗想象出圖像所包含的三維結(jié)構(gòu)，使診斷的準(zhǔn)確性和定位精度都存在可能的偏差。而三維超聲成像技術(shù)可以提供病變部位直觀、立體的三維結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了二維超聲的不足，因此基于三維超聲成像的軟組織手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)已成為新的研究熱點。該技術(shù)使用三維超聲圖像作為術(shù)中引導(dǎo)圖像，在手術(shù)過程中可以隨時采集和更新病灶圖像。此外，手術(shù)器械的位置和超聲探頭的三維姿態(tài)信息可以通過光學(xué)定位或電磁定位設(shè)備獲得，最終將病灶和手術(shù)器械的實時空間信息融合顯示在屏幕上，對目標(biāo)區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)和軟組織形變進(jìn)行實時有效跟蹤，醫(yī)生根據(jù)顯示屏上的導(dǎo)航信息進(jìn)行手術(shù)，明顯提高了軟組織手術(shù)的精度，有著切實的臨床應(yīng)用價值[6-7]。

2 基于三維超聲成像手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理

該手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)主要由超聲儀、圖形工作站、手術(shù)器械以及磁定位器（或光學(xué)定位裝置）組成。超聲儀獲取實時B型超聲圖像并傳送至工作站；圖形工作站用于數(shù)據(jù)采集、圖像處理；磁定位器（或光學(xué)定位裝置）跟蹤超聲探頭及手術(shù)器械的位置和運(yùn)動方向。獲取三維超聲圖像的前提是確定二維超聲圖像在三維空間的位置，當(dāng)術(shù)中用裝有定位裝置的超聲探頭進(jìn)行病灶區(qū)域掃描時，工作站獲取超聲圖像的同時，也記錄下該圖像所在空間中的位置、方向。當(dāng)每張圖像給定了位置和方向，得到每個像素點三維模型空間中的坐標(biāo)，利用最近鄰相靠法將每個像素分配到三維模型空間的標(biāo)準(zhǔn)晶格中。最后對于標(biāo)準(zhǔn)晶格中空白部分，通過空間插值方法進(jìn)行填充，形成標(biāo)準(zhǔn)的斷層圖像序列空間[8]，利用工作站勾勒出的圖像，重建出病變區(qū)域的空間立體結(jié)構(gòu)，將得到的三維超聲數(shù)據(jù)通過配準(zhǔn)算法與術(shù)前的CT/MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。同時，手術(shù)器械和超聲探頭的位置信息也被輸送到圖形工作站，并不斷更新，最終將跟蹤的手術(shù)器械疊加顯示在融合的圖像上，就可以實現(xiàn)對手術(shù)過程的實時導(dǎo)航。

3 臨床應(yīng)用進(jìn)展

目前,基于三維超聲成像的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的臨床應(yīng)用研究，主要集中于軟組織來源疾病的精確定位治療，特別是在神經(jīng)外科和普外科領(lǐng)域[9-10]，常被輔助用于腫瘤定位、穿刺活檢及介入治療等[11]。該手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以優(yōu)化治療路徑規(guī)劃，而且能夠跟蹤治療裝置，實時顯示病灶的三維空間位置信息。同時，也可為良性腫瘤的微創(chuàng)治療及惡性腫瘤的根治性治療提供更多的幫助。

3.1 神經(jīng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，在神經(jīng)外科手術(shù)中，光學(xué)神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用[6，12]。該導(dǎo)航系統(tǒng)采用術(shù)前的醫(yī)學(xué)影像資料，但是術(shù)中由于腦組織的形變和移位，會對定位的準(zhǔn)確性造成影響，需要術(shù)中實時掃描來糾正影像漂移造成的誤差[13]?；谌S超聲成像的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)可以獲得術(shù)中實時更新的病灶區(qū)域的超聲圖像，通過與術(shù)前的MRI圖形融合，能夠很好地解決術(shù)中腦組織移位的問題，并可明確腫瘤的位置、大小及與周圍重要血管的關(guān)系，可更加精確地控制腫瘤的切除范圍[14]。田增民等[15]應(yīng)用該導(dǎo)航技術(shù)實施了20例神經(jīng)外科手術(shù)，取得了良好的效果，認(rèn)為基于術(shù)中三維超聲圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)能準(zhǔn)確分辨和定位病灶，并且能夠使術(shù)者明確瘤體大小及其與周圍結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系，這較常規(guī)直視下的手術(shù)操作更易于判定腫瘤的邊界。常規(guī)囊性血管母細(xì)胞瘤的切除手術(shù)過程中出血風(fēng)險非常大[16]，并且術(shù)后復(fù)發(fā)率很高[17]，而術(shù)中實時超聲引導(dǎo)可以對瘤結(jié)節(jié)精確定位，提供實時的血流信息，從而可以保證完整切除瘤體、降低手術(shù)出血風(fēng)險及術(shù)后復(fù)發(fā)率，并減少了對周圍正常腦組織的損傷[18]；利用術(shù)中超聲進(jìn)行微創(chuàng)腦內(nèi)血腫清除，能夠準(zhǔn)確定位血腫位置，可以通過大腦溝入路清除血腫，無需進(jìn)行皮質(zhì)造瘺，避免了損傷腦皮質(zhì)[19]；用于顱內(nèi)血管畸形手術(shù)時，術(shù)中超聲可以對畸形血管團(tuán)及其毗鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時掃描并監(jiān)測血流動力學(xué)，避免因術(shù)中的錯誤判斷而導(dǎo)致大出血及正常腦組織的損傷[20]。上述臨床實驗均證實了基于三維超聲成像手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)在神經(jīng)外科手術(shù)方面的優(yōu)越性。

3.2 普外科領(lǐng)域的應(yīng)用

3.2.1 肝、腎臟腫瘤中的應(yīng)用

研究資料表明，如果腫瘤的直徑非常小、聲像圖顯示不清晰，那么其治療后的復(fù)發(fā)率會上升[21]。Rhim等[22-23]研究發(fā)現(xiàn)，肝臟腫瘤邊界不確定造成射頻治療的不徹底，其發(fā)生率在7.9%~18.0%之間。因而采用多模態(tài)圖像融合、基于術(shù)中三維超聲成像的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)則顯示出獨特優(yōu)勢，可應(yīng)用該手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)對腫瘤的邊界進(jìn)行精確計算，并嘗試精確定位手術(shù)器械的位置。Maeda等[24]使用融合了超聲、MRI圖像的導(dǎo)航技術(shù)對34例患者（351個靶目標(biāo)）進(jìn)行肝臟腫瘤的射頻消融和乙醇注射治療。在射頻過程中，圖像融合系統(tǒng)可以清楚顯示超聲探頭、射頻針、腫瘤和門靜脈，圖像融合的誤差在3 mm左右。結(jié)果表明，所有患者的治療過程均是安全有效的，并且無任何嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生。在該導(dǎo)航技術(shù)的引導(dǎo)下，對肝內(nèi)占位性病變進(jìn)行介入診療，大大提高了病變定位和穿刺的準(zhǔn)確性，同時也為術(shù)者制定手術(shù)方案和路徑提供了更為直觀的空間信息[25]。

Ukimura等[26]對10例腎癌患者使用實時超聲及CT圖像融合導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行射頻消融治療。患者在術(shù)前進(jìn)行了腹部CT掃描，然后將圖像導(dǎo)入導(dǎo)航系統(tǒng)的圖形工作站進(jìn)行三維重建，重建完成后能夠得到腎臟腫瘤各個角度的圖像信息，在導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助下完成射頻消融治療。整個治療過程中無明顯并發(fā)癥發(fā)生。隨訪顯示，10例患者均無復(fù)發(fā)。

3.2.2 肝、腎臟囊腫中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的肝、腎囊腫穿刺手術(shù)中，醫(yī)生主要通過二維超聲圖像對手術(shù)過程進(jìn)行檢測，完全依靠臨床經(jīng)驗對穿刺點和病灶靶點進(jìn)行定位。但是，在穿刺時很難監(jiān)測針尖的位置，從而降低了手術(shù)效率。在術(shù)中三維超聲圖形引導(dǎo)導(dǎo)航技術(shù)的輔助下實施穿刺手術(shù)，可以精確地對病灶靶點進(jìn)行定位，實時顯示病灶和針尖的位置，大大提高了手術(shù)效率，增加了手術(shù)的安全性。劉少麗等[27]使用該導(dǎo)航技術(shù)，共實施了5例囊腫穿刺術(shù)，其中3例腎囊腫，2例肝囊腫（5 cm＜直徑＜8 cm），整個手術(shù)過程耗時30 min左右，機(jī)器人的全部工作均在10 min以內(nèi)完成，定位精度均在1 mm以內(nèi)。經(jīng)術(shù)后評價，患者治療效果良好。該臨床實驗表明，基于三維超聲成像技術(shù)的導(dǎo)航技術(shù)，能夠提供病灶區(qū)的立體結(jié)構(gòu)信息，通過術(shù)前規(guī)劃精確定位病灶和進(jìn)針點，精確控制手術(shù)器械的運(yùn)動幅度，極大地提高了手術(shù)治療效果[27]。

3.2.3 乳腺腫瘤中的用

目前，基于三維超聲成像的導(dǎo)航技術(shù)也已應(yīng)用于乳腺腫瘤的治療中。高頻超聲能夠辨認(rèn)多種乳腺腫瘤，而乳腺MRI診斷乳腺癌的敏感度為94%～100%，特異度在20%～100%之間，兩種圖像融合的優(yōu)勢在于結(jié)合了高分辨率的超聲圖像和磁共振的功能成像[10]。Nakano等[28]使用該系統(tǒng)對65例乳腺腫瘤患者進(jìn)行了術(shù)中實時超聲圖像引導(dǎo)手術(shù)，主要目的是為了探查乳腺中的偶發(fā)增強(qiáng)病灶并對其進(jìn)行定性判斷。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用該導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行圖像的實時融合對偶發(fā)增強(qiáng)病灶的發(fā)現(xiàn)率為83%，遠(yuǎn)高于使用單種影像學(xué)方法（30%），并且可以在術(shù)中借助三維超聲成像的方法重構(gòu)腫塊的立體結(jié)構(gòu)，較清楚地顯示了與鄰近組織的關(guān)系，以便于及時調(diào)整手術(shù)路徑，精確定位病灶靶點，減小手術(shù)創(chuàng)傷。

3.2.4 甲狀腺腫瘤中的應(yīng)用

對于早期甲狀腺癌的治療，應(yīng)以盡量保存患者功能、提高患者生存質(zhì)量為原則。如何徹底切除癌組織，縮小手術(shù)范圍，保護(hù)頸部功能，是手術(shù)治療的關(guān)鍵所在。實時術(shù)中三維超聲成像與手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，可以盡可能地切除病灶并保留正常組織，減小了手術(shù)創(chuàng)傷，改善了術(shù)后頸部的畸形[29]。此外，該系統(tǒng)在甲狀腺腫物定位穿刺活檢及術(shù)后放療定位中的應(yīng)用，也具有獨特的優(yōu)勢[30]。

4 展望

目前，基于三維超聲成像的導(dǎo)航技術(shù)在診斷和治療方面全面發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用于多個學(xué)科領(lǐng)域。但是，術(shù)中三維超聲成像的實現(xiàn)和應(yīng)用過程中，還有許多關(guān)鍵技術(shù)問題未能解決，因而無法完全滿足精準(zhǔn)多變的臨床需求。

4.1 三維重建速度及圖像質(zhì)量的提升

目前已處于臨床實驗階段的三維超聲成像系統(tǒng)的重建速度比較慢。一是因為重建的數(shù)據(jù)量比較大，二是因為超聲圖像的固有斑點噪聲需要進(jìn)行預(yù)處理。因此，在保證重建質(zhì)量的前提下應(yīng)盡可能縮短重建時間。此外，在三維重建過程中，重建的速度和質(zhì)量是一對不可調(diào)節(jié)的矛盾，我們必須在保證質(zhì)量的前提下，盡量提高重建的速度。

4.2 圖像融合配準(zhǔn)技術(shù)的改進(jìn)

目前圖像融合配準(zhǔn)多應(yīng)用手工配準(zhǔn)，操作難度大，對操作者的臨床經(jīng)驗要求高。故目前急需研發(fā)一種精度高、穩(wěn)定性好、全自動化的醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)和融合方法。

4.3 應(yīng)用適應(yīng)癥的擴(kuò)展

超聲與CT/MRI等圖像融合技術(shù)近年來剛應(yīng)用于臨床，優(yōu)勢明顯，發(fā)展迅速。目前，這一新技術(shù)正日益廣泛地應(yīng)用于神經(jīng)外科和腹部、乳腺、甲狀腺等疾病的治療。但是，在修復(fù)重建與整復(fù)外科領(lǐng)域（如腫瘤引起的缺損或畸形、眼部、胸部整形等）尚無基于術(shù)中超聲與術(shù)前CT/MRI融合引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于軟組織手術(shù)的相關(guān)報道。相信隨著多學(xué)科的交叉滲透和配合，相關(guān)研究必將繼續(xù)深入，三維超聲導(dǎo)航技術(shù)將會越來越成熟，并在修復(fù)重建與整復(fù)外科領(lǐng)域得到廣泛的推廣和應(yīng)用，創(chuàng)造更多的臨床價值。

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Research Progress of Navigation Technique in Soft Tissue Surgery Based on Three-dimensional Ultrasound Imaging

YANG Chengshuai,ZHANG Shilei.
Department of Oral and Cranio-maxillofacial Science,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.Corresponding author:ZHANG Shilei(E-mail:leinnymd@hotmail.com).

【Summary】With the rapid development of medical imaging technology in recent years,it can improve the surgical accurace,dexterity,safety and decrease the operative time by integrating high-quality medical images to the surgical navigation system.In this paper,the development of navigation technique in soft tissue surgery based on three-dimensional ultrasound imaging was reviewed and its technical principles,clinical applications,advantages and disadvantages were expounded systematically.

Three-dimensional ultrasound;Soft tissue;Navigation;Surgery

R312

B

1673－0364（2015）04－0278－04

10.3969/j.issn.1673-0364.2015.04.016

2015年2月10日；

2015年3月30日）

國家自然科學(xué)基金（81371193）；上海市醫(yī)學(xué)圖像處理與計算機(jī)輔助手術(shù)重點實驗室開放課題（13DZ2272200-4）。

200011上海市上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科。

張詩雷（E-mail：leinnymd@hotmail.com）。