混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在肝膽腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用

梅昆有，李 治，王 罡，季云海，張宏江，吳昆華，王峻峰

(1.昆明理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省第一人民醫(yī)院影像科，3.肝膽外科，云南 昆明 650100)

肝膽腫瘤較常見，其中惡性腫瘤居多。目前手術(shù)是治療肝膽腫瘤的首選方法[1-2]，其原則是最大限度消除病灶，保留肝膽功能，但手術(shù)治療出血量多、創(chuàng)傷大。對(duì)于小肝癌，微創(chuàng)治療具有很大優(yōu)勢；而對(duì)于早期及轉(zhuǎn)移性肝膽腫瘤，綜合診治作用明顯[3]。借助生物技術(shù)和信息技術(shù)，近年迅速發(fā)展的數(shù)字化精準(zhǔn)醫(yī)療對(duì)醫(yī)學(xué)發(fā)展有巨大的推動(dòng)作用，有助于疾病的預(yù)防、診斷及治療[4-6]?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界融合，涉及多個(gè)學(xué)科。通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將真實(shí)場景與三維可視化的偏移量達(dá)到最小[7-8]。本研究探討混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于肝膽腫瘤手術(shù)的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2019年3—6月于云南省第一人民醫(yī)院肝膽外科接受手術(shù)治療的47例肝膽腫瘤患者，包括肝腫瘤35例、膽道腫瘤12例，其中16例(觀察組)接受混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)肝膽腫瘤手術(shù)，男10例，女6例，年齡39～68歲，平均(53.3±8.8)歲；31例(對(duì)照組)接受傳統(tǒng)方法手術(shù)治療，男16例，女15例，年齡33～70歲，平均(53.2±9.6)歲。所有患者均無手術(shù)禁忌證，且無其他系統(tǒng)嚴(yán)重疾病，經(jīng)術(shù)后病理學(xué)檢查確診；患者及家屬均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

1.2.1 儀器 GE LightSpeed 64排CT機(jī)；Siemens Magnetom Symphony 1.5T MR掃描儀；zSpace300一體機(jī)、zSpace專用定位筆、zSpace-E2R-710 3D追蹤眼鏡(zSpace公司)。Mimics Reacher 20.0(Materialise公司)三維重建軟件系統(tǒng)。

1.2.2 治療方法 對(duì)觀察組行上中下腹部CT平掃+增強(qiáng)檢查或常規(guī)MR檢查，采集CT或MRI原始數(shù)據(jù)；將層厚1.5 mm以下的薄層DICOM原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics Research 20.0三維重建軟件系統(tǒng)，顯示各組織器官，并根據(jù)病灶情況于CT或MRI上分別勾畫肝動(dòng)脈、門靜脈、肝靜脈、肝臟、膽道及腫瘤，并進(jìn)行模板分割，經(jīng)軟件系統(tǒng)自動(dòng)處理生成STL(Stereo Lithography)多邊形三維數(shù)據(jù)格式文件。通過渲染數(shù)字化處理的三維模型，在服務(wù)端根據(jù)影像序列優(yōu)化算法、優(yōu)化模型坐標(biāo)和數(shù)據(jù)(將重建后的STL文件導(dǎo)入專業(yè)優(yōu)化修改工具Autodesk 3Ds MAX 2017版本軟件，將模型面數(shù)優(yōu)化至30 000面以下)，導(dǎo)入混合現(xiàn)實(shí)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，利用三維空間坐標(biāo)標(biāo)記組織、器官之間的空間位置，并賦予正確名稱，對(duì)各組織、器官進(jìn)行參數(shù)調(diào)配，包括透明化程度(%)和體積計(jì)算值(ml)，并設(shè)置相關(guān)實(shí)用功能，包括切割、內(nèi)窺、穿刺及測量等。混合現(xiàn)實(shí)展示技術(shù)路線圖見圖1。術(shù)者于手術(shù)室觀察混合現(xiàn)實(shí)手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)展示出的圖像信息，佩戴追蹤眼鏡后，用專用定位筆將虛擬三維模型移動(dòng)至患者的疊加位置，誤差范圍1～5 mm；術(shù)中根據(jù)虛擬三維模型精準(zhǔn)定位目標(biāo)病灶，于實(shí)時(shí)影像導(dǎo)航下對(duì)手術(shù)位置、角度、深度、大小進(jìn)行縮放匹配，實(shí)現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)引導(dǎo)下的手術(shù)操作。對(duì)照組行傳統(tǒng)方式手術(shù)治療。記錄2組自開始實(shí)施手術(shù)到手術(shù)完成的平均時(shí)間和術(shù)中平均出血量。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s表示，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較2組間平均手術(shù)時(shí)間和術(shù)中平均出血量。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 混合現(xiàn)實(shí)展示技術(shù)路線圖

2 結(jié)果

通過對(duì)CT或MRI數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，以不同顏色標(biāo)記各組織、器官，可區(qū)分各組織、器官之間的相對(duì)毗鄰位置關(guān)系，以Mimics軟件勾畫病灶位點(diǎn)，經(jīng)渲染可清晰測量病灶大小，進(jìn)行術(shù)前討論與操作演練，見圖2A～2D。混合現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)手術(shù)過程，可準(zhǔn)確提供病灶位置，顯示手術(shù)器械與病灶之間的相對(duì)關(guān)系，見圖2E～2H。

觀察組和對(duì)照組平均手術(shù)時(shí)間分別為(296.25±65.37)min、(391.45±79.75)min(t=2.280，P=0.029)，術(shù)中平均出血量分別為(318.75±99.20)ml、(560.32±227.53)ml(t=2.080，P=0.046)。

3 討論

近年來，在數(shù)字化精準(zhǔn)醫(yī)療快速發(fā)展的大背景下，多學(xué)科交叉融合應(yīng)用于醫(yī)療，混合現(xiàn)實(shí)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality, VR)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(augmented reality, AR)相互融合后進(jìn)一步發(fā)展而來的產(chǎn)物，通過將虛擬信息疊加于真實(shí)事物，實(shí)現(xiàn)人、現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界間的信息交互，使人的感知與計(jì)算機(jī)一體化，實(shí)現(xiàn)沉浸式深度交互，可提供最真實(shí)的體驗(yàn)感[9-10]。目前混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的研究尚處于起步階段。

肝膽腫瘤治療較困難，以消融手術(shù)為代表的微創(chuàng)治療手段在20世紀(jì)90年代后迅速發(fā)展，但消融手術(shù)對(duì)于腫瘤的精準(zhǔn)定位要求高，術(shù)者僅憑CT或MRI較難獲得病灶的立體直觀的模型信息，手術(shù)過程完全依賴術(shù)者的空間想象力和手術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于肝膽腫瘤手術(shù)治療具有廣闊的前景。術(shù)前通過對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，經(jīng)混合現(xiàn)實(shí)展示可獲得肝膽腫瘤模型，有助于分析病灶與周圍組織器官的毗鄰關(guān)系、體積大小等信息。術(shù)前討論可制定個(gè)性化治療方案，通過模型建立醫(yī)師與患者、醫(yī)師與醫(yī)師間的溝通渠道，使患者對(duì)疾病及其潛在風(fēng)險(xiǎn)有更多了解，從而提高其參與度[11]。本研究采用專用定位筆將虛擬三維模型移動(dòng)至患者的人體疊加位置，術(shù)者可以患者肝膽外輪廓作為參照，判斷疊加位置的準(zhǔn)確度；通過配戴zSpace 3D追蹤眼鏡，術(shù)者可看到整體三維模型，實(shí)現(xiàn)手術(shù)過程的渲染和追蹤。傳統(tǒng)外科手術(shù)主要依靠術(shù)者的臨床經(jīng)驗(yàn)、想象力以及病灶的二維影像學(xué)表現(xiàn)等制定手術(shù)方案?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)有助于醫(yī)師于術(shù)前模擬手術(shù)過程、探討并制定手術(shù)方案；術(shù)中通過觀察立體模型，達(dá)到小誤差范圍內(nèi)的精準(zhǔn)定位、明晰手術(shù)路徑、實(shí)時(shí)導(dǎo)航，可顯著降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，減少術(shù)中出血量，縮短手術(shù)時(shí)間[12]。本研究觀察組平均手術(shù)時(shí)間和平均出血量均較對(duì)照組減低。

圖2患者男，57歲，肝臟腫瘤 A.冠狀位CT圖像病灶(粉紅色)標(biāo)記圖； B.軸位CT圖像病灶(粉紅色)標(biāo)記圖； C.三維重建成像效果圖； D.術(shù)前討論與操作演練; E.側(cè)面虛擬三維模型與真實(shí)人體融合疊加； F.正面虛擬三維模型與真實(shí)人體融合疊加； G.術(shù)中參照虛擬三維模型精準(zhǔn)定位病灶； H.術(shù)中進(jìn)行微波消融手術(shù)

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及多學(xué)科交叉，尚處于起步階段[13]，存在諸多不足：采集CT或MRI時(shí)，患者體位變化、呼吸運(yùn)動(dòng)可影響數(shù)據(jù)的精確度，使后續(xù)三維模型重建出現(xiàn)偏差；混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)配套設(shè)施較為昂貴，目前尚無法普及[14]；培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人才的成本較高。

綜上所述，混合現(xiàn)實(shí)引導(dǎo)肝膽腫瘤手術(shù)具有較高應(yīng)用價(jià)值，值得推廣。