“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”輔助下精準(zhǔn)胸腔鏡下肺小結(jié)節(jié)切除技術(shù)早期研究

【作 者】 周陽，顧偉，彭明政，成興華

上海市胸科醫(yī)院/上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬胸科醫(yī)院，上海市，200030

0 引言

肺癌是全球發(fā)病率最高的惡性腫瘤之一，在中國，肺癌已成為發(fā)病率和病死率最高的惡性腫瘤[1]。隨著高分辨率薄層計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography,CT）面世，孤立性肺結(jié)節(jié)（solitary pulmonary nodule,SPN）的檢出率越來越高，這些肺結(jié)節(jié)在CT上多表現(xiàn)為磨玻璃影（ground glass opacity,GGO），其中可伴有或沒有實(shí)性部分[2-4]，往往須進(jìn)行以亞肺葉切除為主的診斷或治療性手術(shù)[5-7]。因此對(duì)于直徑小于1 cm的 SPN，術(shù)前精確定位結(jié)節(jié)變得至關(guān)重要。隨著胸腔鏡手術(shù)（video assisted thoracic surgery,VATS）的普及，在術(shù)前局麻下在CT引導(dǎo)下使用hook-wire定位針穿刺定位已成為最常用的術(shù)前定位方法。這種方法可以準(zhǔn)確定位大多數(shù)肺結(jié)節(jié)，但肋骨或肩胛骨后面或大血管附近的肺結(jié)節(jié)除外。在多個(gè)CT引導(dǎo)下進(jìn)行hook-wire定位存在移位或脫鉤、嚴(yán)重氣胸和空氣栓塞的風(fēng)險(xiǎn)[8-9]。同時(shí)，由于不使用全身麻醉，也會(huì)給患者帶來巨大的痛苦。

數(shù)字化、微創(chuàng)、人工智能是現(xiàn)代外科技術(shù)發(fā)展的新方向。近年來，在生物醫(yī)學(xué)和外科領(lǐng)域涌現(xiàn)了許多涉及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality,AR）技術(shù)的創(chuàng)新研究和臨床應(yīng)用，被視為醫(yī)學(xué)與工業(yè)的跨學(xué)科融合[10-12]。AR是一種創(chuàng)新技術(shù)，通過在手術(shù)過程中將圖像、視頻或計(jì)算機(jī)生成的模型與患者解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合，將虛擬場景疊加到真實(shí)環(huán)境中，可直觀顯示器官或病灶的解剖結(jié)構(gòu)，顯著提高手術(shù)效率。本研究旨在通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，初步探索利用AR技術(shù)輔助肺結(jié)節(jié)穿刺定位的安全性及可行性研究。

1 目的

利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造出全新的數(shù)字全息影像，可以確保醫(yī)生和患者之間更順暢的溝通，也可以提高手術(shù)的精確度。虛擬3D模型可以幫助外科醫(yī)生更好地了解病灶的空間位置，從而規(guī)劃手術(shù)路徑和切除范圍，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、定制化的手術(shù)方案，符合精準(zhǔn)手術(shù)的定義。因此，AR技術(shù)提高了手術(shù)成功率，有效減少了手術(shù)時(shí)間。

全息影像技術(shù)在醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域正變成現(xiàn)實(shí)，但目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在胸外科手術(shù)中的應(yīng)用尚鮮見報(bào)道。因此，對(duì)三甲?？漆t(yī)院而言，如能率先利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過虛擬肺影像引導(dǎo)穿刺定位，理論上可以解決目前肺結(jié)節(jié)定位技術(shù)中的主要問題。在這項(xiàng)研究中，首次采用AR用于在豬模型的亞肺葉切除術(shù)中協(xié)助定位SPN，以評(píng)估該技術(shù)的安全性和有效性。

2 材料和方法

2.1 AR平臺(tái)和建模

本實(shí)驗(yàn)通過CT掃描圖像3D虛擬肺建模，為準(zhǔn)確校準(zhǔn)3D打印模型或?qū)嶒?yàn)豬的虛擬結(jié)構(gòu)與實(shí)物精準(zhǔn)匹配，使用Landmark Transform匹配算法，為今后使用Microsoft HoloLens眼鏡設(shè)備在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬肺影像引導(dǎo)下，借助定位穿刺輔助器為hook-wire肺穿刺定位提供基礎(chǔ)。

2.2 動(dòng)物研究

動(dòng)物研究實(shí)驗(yàn)在上海銀蛇生物醫(yī)藥科技有限公司機(jī)構(gòu)倫理委員會(huì)授予的項(xiàng)目許可下進(jìn)行，符合上海交通大學(xué)附屬上海胸科醫(yī)院的動(dòng)物倫理。實(shí)驗(yàn)中選擇3頭雌性、12個(gè)月、45 kg的丹麥長白豬用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。對(duì)每頭豬進(jìn)行一次CT掃描，存儲(chǔ)從掃描中獲得的數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine,DICOM）圖像數(shù)據(jù)。在CT屏幕上的10個(gè)小的肺結(jié)構(gòu)或點(diǎn)（左右各5個(gè)），包括鈣化點(diǎn)、細(xì)支氣管分叉和肺段之間的淋巴結(jié)，被選為假定的SPN。根據(jù)SPN的AR定位，鉤線用于經(jīng)皮穿刺。CT掃描和穿刺均在吸氣末，由麻醉師控制潮氣量后開展。

2.3 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)CT結(jié)果記錄并計(jì)算計(jì)劃穿刺路徑與實(shí)際穿刺路徑的夾角、計(jì)劃進(jìn)入點(diǎn)與穿刺點(diǎn)的距離、計(jì)劃穿刺深度與實(shí)際穿刺深度的距離。穿刺針的三維位置重建后，將三維穿刺針與預(yù)設(shè)的穿刺路徑進(jìn)行比較。比較的主要參數(shù)是：兩條線之間的夾角、兩條線頂點(diǎn)的空間位置差異以及穿刺針進(jìn)入體表后實(shí)際進(jìn)入點(diǎn)與計(jì)劃點(diǎn)之間的距離。最終這些參數(shù)由軟件Materialise 3-matic（Materialise Inc.,Belgium）自動(dòng)計(jì)算，hookwire定位命中率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。輔助定位器由胸科醫(yī)院采購中心聯(lián)合相關(guān)廠家進(jìn)行研發(fā)（見圖1），定位器由兩塊組件組成：一塊組件上包含一塊二維碼標(biāo)識(shí)板，另一塊組件上包含三塊二維碼標(biāo)識(shí)板，配合HoloLens眼鏡識(shí)別標(biāo)識(shí)板，虛擬豬3D模型與實(shí)際進(jìn)行深度重合，輔助操作者找準(zhǔn)進(jìn)針點(diǎn)，并矢狀面旋轉(zhuǎn)定位針。

圖1 輔助定位器組成Fig.1 Auxiliary positioner composition

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

此實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS 26.0（IBM Corp.,Armonk,NY,USA）軟件。實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）。

3 結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)，我們?cè)谪i動(dòng)物模型中評(píng)估HoloLens AR輔助的SPN定位。由于實(shí)驗(yàn)豬的生命體征在整個(gè)研究過程中均正常，因此該技術(shù)的安全性得到了很好的證明。在該組實(shí)驗(yàn)中，3頭豬共進(jìn)行6側(cè)胸腔穿刺，發(fā)生1例氣胸，未引起嚴(yán)重不良反應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際穿刺進(jìn)入點(diǎn)與計(jì)劃點(diǎn)的平均距離為9±5 mm，穿刺深度與預(yù)期深度的平均距離為9±8 mm，兩者距離均小于1 cm。命中范圍設(shè)置為結(jié)節(jié)周圍直徑1 cm時(shí)總準(zhǔn)確率為77%，病灶周圍直徑設(shè)置為2 cm時(shí)總準(zhǔn)確率為100%，在肺段切除術(shù)或楔形肺切除術(shù)中是可以接受的。

4 討論

近年來，頭戴式AR或VR設(shè)備以及各種成熟的商業(yè)產(chǎn)品在外科領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Microsoft的HoloLens設(shè)備相對(duì)簡單便攜，可以應(yīng)用于更多場景。在手術(shù)過程中，AR技術(shù)不僅可以將手術(shù)區(qū)域的透視圖像實(shí)時(shí)投影給外科醫(yī)生，還可以將患者的解剖結(jié)構(gòu)顯示為3D全息圖像。AR顯示系統(tǒng)可以同時(shí)呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中和虛擬世界中的物體，操作者的眼睛可以一直盯著手術(shù)區(qū)域，相關(guān)信息顯示在手術(shù)區(qū)域的相應(yīng)位置。特別是在使用頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備時(shí)，由于部分頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備采用半透明屏幕，操作者可以通過屏幕清楚地看到實(shí)際手術(shù)區(qū)域，從而避免可能出現(xiàn)的手眼分離問題。

從國外最新應(yīng)用來看，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于：骨科置入椎弓根釘[13]、肝臟外科提高腫塊切除的精準(zhǔn)性[14]、整形外科手術(shù)中植入物路徑選擇[15]。QIAN等[16]通過在模擬手術(shù)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)，比較了EpsonBT200、ODGR7和HoloLens 3種AR設(shè)備的系統(tǒng)延遲時(shí)間和幀率，結(jié)果表明HoloLens優(yōu)于其他設(shè)備。PRATT等[17]將HoloLens應(yīng)用于腿部穿支皮瓣手術(shù)，利用患者的CT圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，獲得血管、皮膚等虛擬解剖模型。在手術(shù)過程中，將虛擬模型疊加并配準(zhǔn)到患者相應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)，并使用HoloLens進(jìn)行三維顯示。INCEKARA等[18]將HoloLens應(yīng)用于25例腦腫瘤切除手術(shù)，以傳統(tǒng)神經(jīng)外科導(dǎo)航系統(tǒng)BrainLab為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，平均誤差幅度為4 mm。據(jù)報(bào)道，手術(shù)計(jì)劃期間的混合現(xiàn)實(shí)可視化有助于在微創(chuàng)手術(shù)期間準(zhǔn)確快速地識(shí)別肺部小病變，并減少使用Microsoft HoloLens進(jìn)行額外的侵入性術(shù)前定位程序[19]。

對(duì)于國內(nèi)最新應(yīng)用而言，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于：骨科髖部骨折手術(shù)、乳腺外科以及小兒肝外科手術(shù)[20]（見圖2）。在胸外科手術(shù)中嘗試使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對(duì)原有傳統(tǒng)技術(shù)的突破，而安全性是這種新技術(shù)的重要指標(biāo)。在本研究中對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行全身麻醉，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)測其生命體征。我們沒有觀察到明顯的不良反應(yīng)，如血胸和心血管事件，僅有1頭豬出現(xiàn)輕度氣胸，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行了胸腔閉式引流。期待后續(xù)I期臨床研究對(duì)本方法的安全性進(jìn)一步探索和驗(yàn)證。

圖2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）在國內(nèi)外科領(lǐng)域的應(yīng)用Fig.2 Application of augmented reality in domestic surgical field

5 展望

HoloLens AR輔助的SPN定位將成為改善早期肺癌手術(shù)精準(zhǔn)治療的一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)[20]。首先評(píng)估其在動(dòng)物模型中的可行性，然而其安全性和有效性需要在臨床試驗(yàn)中進(jìn)一步研究。

對(duì)于硬件配置而言，本方法無需手術(shù)室安裝特殊設(shè)備，頭戴裝置便于攜帶，成本相對(duì)較低，無需放射科、介入科等配合，可由外科醫(yī)生獨(dú)立完成操作。同時(shí)由于設(shè)備簡單，操作簡單快捷，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益前景。在社會(huì)效益層面，可減少患者疼痛及對(duì)手術(shù)的恐懼，降低肺結(jié)節(jié)切除技術(shù)門檻，促進(jìn)技術(shù)普及，同時(shí)增加了早期肺癌微創(chuàng)切除比例。因此本技術(shù)值得研發(fā)并進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化。