混合現(xiàn)實(shí)平臺(tái)遠(yuǎn)程協(xié)作機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)1例報(bào)告

朱捷 沈誕 劉啟明 單立松 朱大慶 王鵬超 馬鑫 張旭

1中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院泌尿外科 100853 北京2中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院海南分院泌尿外科

近年來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、影像輔助和人工智能(Artificial Intelligence, AI)飛速發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用于生活的很多方面，并在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也逐步開(kāi)始應(yīng)用。影像輔助技術(shù)目前包括虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR)和混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality, MR)三類。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域目前主要應(yīng)用于影像資料的3D呈現(xiàn)、手術(shù)規(guī)劃、醫(yī)患溝通、術(shù)中導(dǎo)航、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及醫(yī)學(xué)培訓(xùn)等各方面[1]。近日，我科室利用MR技術(shù)平臺(tái)，將MR技術(shù)、機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)、遠(yuǎn)程指導(dǎo)相結(jié)合，成功完成了一例混合現(xiàn)實(shí)平臺(tái)遠(yuǎn)程協(xié)作機(jī)器人經(jīng)腹腔右側(cè)腹膜后腫瘤切除術(shù)，繼2016年12月首次完成MR機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)術(shù)中導(dǎo)航應(yīng)用后，再次將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于術(shù)中遠(yuǎn)程指導(dǎo)?，F(xiàn)報(bào)告如下。

1 病例資料

患者，女，65歲。因查體超聲發(fā)現(xiàn)右側(cè)腹膜后占位病變1周于2018年4月27日入住解放軍總醫(yī)院海南分院泌尿外科。入院時(shí)血壓139/75 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)，心率76次/min，既往無(wú)惡性高血壓病史，無(wú)腹部手術(shù)史。腹膜后核磁平掃加增強(qiáng)掃描示右側(cè)腹膜后十二指腸后方可見(jiàn)類圓形稍長(zhǎng)T1長(zhǎng)T2信號(hào)，大小為37 mm×40 mm×44 mm(左右×前后×上下)，DWI上呈不均勻高信號(hào)，邊緣光滑，增強(qiáng)掃描動(dòng)脈期實(shí)性成分不均勻強(qiáng)化，靜脈期及延時(shí)期強(qiáng)化減低，病灶中心可見(jiàn)斑片狀無(wú)強(qiáng)化區(qū)，腫塊局部與十二指腸后壁分界欠清晰(圖1)。MRI診斷腹膜后富血供占位，考慮副神經(jīng)節(jié)瘤可能性大。

患者轉(zhuǎn)入內(nèi)分泌科行相關(guān)內(nèi)分泌檢查，臥立位試驗(yàn)顯示基礎(chǔ)醛固酮水平不高(134.65 ng/L)， 腎素活性(1.5 ng·ml-1·h-1)未被抑制，立位4 h后，醛固酮水平升高(208.65 ng/L)， 立位腎素血管緊張素Ⅰ比值(ARR)<30，排除原發(fā)性醛固酮增多癥。血兒茶酚胺、甲氧基腎上腺類似物檢查(腎上腺素、去甲腎上腺素、多巴胺)結(jié)果均未見(jiàn)異常，排除功能性副神經(jīng)節(jié)瘤或嗜鉻細(xì)胞瘤。ACTH-F節(jié)律存在，小劑量地塞米松抑制試驗(yàn)F<50 nmol/L，排除Cushing綜合征。綜合考慮為無(wú)功能瘤可能性大，不除外靜寂型副神經(jīng)節(jié)瘤。

圖1 MRI增強(qiáng)掃描

給予鹽酸酚芐明30 mg/d并行2周擴(kuò)容治療，患者血壓穩(wěn)定在140/80 mm Hg，心率75次/min，擬行機(jī)器人腹腔鏡右腹膜后腫瘤切除術(shù)?？紤]到患者病情復(fù)雜，手術(shù)難度大，擬請(qǐng)北京院本部專家給予指導(dǎo)，經(jīng)研究商定于2018年5月8日利用北京維卓致遠(yuǎn)公司的MR技術(shù)平臺(tái)實(shí)施遠(yuǎn)程協(xié)作機(jī)器人手術(shù)。

我們首先將患者的MRI影像應(yīng)用星源平臺(tái)快速制作出病灶及周邊解剖的三維病例模型(圖2)，并存儲(chǔ)于星云MR云端協(xié)作平臺(tái)；再利用MicroSoft公司的HoloLens混合現(xiàn)實(shí)眼鏡，在MR技術(shù)星圖平臺(tái)支持下，以虛擬人物加入的方式，在北京和三亞兩地間針對(duì)同一模型展開(kāi)討論，制定相關(guān)手術(shù)方案，我們認(rèn)為腫瘤來(lái)自腎竇組織并膨脹生長(zhǎng)，腎動(dòng)脈分支包繞腫瘤，腔靜脈受壓，術(shù)中應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)腎臟血管和腔靜脈的保護(hù)(圖3)。

圖2 三維重建后的病例模型

圖3 利用星圖平臺(tái)兩地進(jìn)行術(shù)前討論

在醫(yī)患溝通過(guò)程中，我們佩戴HoloLens眼鏡， 利用病例模型向患者及家屬直觀解釋手術(shù)方案以及手術(shù)中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)和并發(fā)癥，使醫(yī)患合作與溝通更加順利流暢(圖4)。

手術(shù)采用氣管內(nèi)插管全身麻醉，患者麻醉成功后，取左側(cè)斜臥位，常規(guī)消毒鋪單。利用MR技術(shù)云平臺(tái)星云，建立三亞和北京之間同步手術(shù)視頻。Trocar置入時(shí)，術(shù)者佩戴HoloLens眼鏡，將病例模型在患者體表進(jìn)行手動(dòng)配準(zhǔn)，顯示體內(nèi)臟器及病灶的粗略位置，北京端專家直接在視頻中患者體表標(biāo)記各Trocar部位，術(shù)者通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)眼鏡可直接在患者體表看到標(biāo)記并進(jìn)行穿刺(圖5)。Da Vinci工作臺(tái)架設(shè)成功后，術(shù)者取下HoloLens眼鏡，在機(jī)器人視野下完成手術(shù)。首先游離游離下降升結(jié)腸至腔靜脈水平，保護(hù)好十二指腸，暴露后腹膜并打開(kāi)后腹膜和腎周筋膜，在腎臟下極位置游離出右側(cè)輸尿管及生殖靜脈，沿生殖靜脈和輸尿管向上游離至腎門(mén)附近，發(fā)現(xiàn)腫瘤與腎臟、腎靜脈、腔靜脈、生殖靜脈、輸尿管等重要血管、臟器關(guān)系密切且有粘連，北京端專家在術(shù)中參照病例模型，結(jié)合術(shù)中視頻，直接在視頻上標(biāo)記出相關(guān)重要血管、臟器的部位，形成AR視頻畫(huà)面，并同步投射入術(shù)者的手術(shù)視野，使術(shù)者在手術(shù)同時(shí)同步看到北京端的相關(guān)指導(dǎo)(圖6)，與術(shù)者即時(shí)討論并調(diào)整手術(shù)方案。在北京端專家的指導(dǎo)下，沿腫瘤周邊精細(xì)分離，成功將腫瘤完整游離切除。手術(shù)過(guò)程中，借助AR技術(shù)可將患者的病例模型投入到術(shù)者的視野中，當(dāng)術(shù)者遇到解剖確認(rèn)時(shí)，還可隨時(shí)調(diào)取模型，手動(dòng)放大、旋轉(zhuǎn)，利用腎臟外形、腔靜脈邊緣解剖標(biāo)志進(jìn)行手動(dòng)配準(zhǔn)并參考比對(duì)，以實(shí)現(xiàn)術(shù)中導(dǎo)航(圖7)。

手術(shù)歷時(shí)2 h 20 min，出血20 ml，腫瘤完整切除(圖8)。術(shù)中患者未出現(xiàn)血壓、心率波動(dòng)，術(shù)后患者生命體征平穩(wěn)，恢復(fù)良好，于術(shù)后第7天順利出院。切除腫瘤標(biāo)本送病理檢查，診斷為右側(cè)腹膜后平滑肌肉瘤，包膜完整。

圖4 利用MR技術(shù)進(jìn)行醫(yī)患溝通

2 討論

VR是由計(jì)算機(jī)生成的一種交互式三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的仿真系統(tǒng)，應(yīng)用者所交互的是完全虛擬的環(huán)境；AR是將電腦虛擬的圖像覆蓋到真實(shí)世界畫(huà)面中，并在第三方媒介上形成交互；而MR是利用可視設(shè)備，在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。

上圖：HoloLens眼鏡下配準(zhǔn)病例模型；下圖：HoloLens眼鏡下術(shù)者所觀察的已標(biāo)記的Trocar位置。

圖5MR技術(shù)標(biāo)記Trocar位置

上圖：北京端專家在星云平臺(tái)支持下在同步手術(shù)視頻上標(biāo)記；下圖：北京端的術(shù)中指導(dǎo)被同步投射入術(shù)者的機(jī)器人視野。

圖6術(shù)中遠(yuǎn)程協(xié)作完成手術(shù)

圖7 術(shù)中病例模型被投射入術(shù)者視野可隨時(shí)調(diào)取、觀察

圖8 腫瘤標(biāo)本

VR、AR技術(shù)的快速發(fā)展 ，為醫(yī)學(xué)影像信息從傳統(tǒng)的2D平面轉(zhuǎn)化為更直觀的3D立體呈現(xiàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，然而由于VR營(yíng)造的是完全虛擬的環(huán)境，除在醫(yī)學(xué)培訓(xùn)或心理疾病康復(fù)之外的領(lǐng)域，具有明顯的局限性；AR技術(shù)盡管虛實(shí)結(jié)合，但AR的交互是發(fā)生在第三方媒介上，如iPad、智能手機(jī)、顯示屏等，不是真正意義的3D呈現(xiàn)方式[2, 3]。而MR技術(shù)通過(guò)合并現(xiàn)實(shí)和虛擬世界形成新的可視化環(huán)境，是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬的集合，通過(guò)全息、立體的呈現(xiàn)方式，打破了虛擬世界和物理世界之間的界限，將虛擬三維模型引入和融合到使用者所看到的真實(shí)世界中，使用者能夠更為直觀、全面的獲得醫(yī)學(xué)影像信息[4]，對(duì)提高醫(yī)生的空間感知能力有很大的幫助，可以減少醫(yī)生在腦海中重新構(gòu)建的難度、縮短構(gòu)建的時(shí)間、不可避免產(chǎn)生的誤差，提高診療的效率。 目前MR技術(shù)在骨科、神經(jīng)外科、口腔科領(lǐng)域應(yīng)用于固定解剖的術(shù)中導(dǎo)航和術(shù)前規(guī)劃，但在腹腔內(nèi)微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用，特別是與機(jī)器人手術(shù)中的結(jié)合、遠(yuǎn)程交互，本研究尚屬首例。

MR技術(shù)巨大的發(fā)展?jié)摿€在于廣闊的外延性。MR技術(shù)與人工智能技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等均可以實(shí)現(xiàn)連接，通過(guò)全息呈現(xiàn)方式不斷創(chuàng)造出顛覆性的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。在微創(chuàng)手術(shù)中，傳統(tǒng)的3D呈現(xiàn)方式受到平面的顯示屏的限制和弱化[5]，Da Vinci手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)突破了這一瓶頸，理論上MR技術(shù)的全息影像可完美的融入機(jī)器人視野，但目前MicroSoft的HoloLens混合現(xiàn)實(shí)眼鏡與Intuitive Surgery的Da Vinci手術(shù)機(jī)器人在3D呈現(xiàn)方式上不能兼容，限制了MR技術(shù)的術(shù)中導(dǎo)航在機(jī)器人手術(shù)中的直接應(yīng)用。但隨著機(jī)器人視覺(jué)獲取方式的改進(jìn)和HoloLens眼鏡的不斷改進(jìn)，兩者的兼容應(yīng)指日可待。

MR技術(shù)和云技術(shù)的結(jié)合，為醫(yī)療遠(yuǎn)程協(xié)作提供了新的技術(shù)平臺(tái)。醫(yī)學(xué)信息突破時(shí)空的限制，不同地域的醫(yī)學(xué)專家同時(shí)對(duì)同一模型或視頻進(jìn)行交流、標(biāo)記和互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中指導(dǎo)。

目前MR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸在于影像信息獲取的精密程度和術(shù)中實(shí)時(shí)配準(zhǔn)[6]。前者影響了信息的準(zhǔn)確度，特別是微細(xì)解剖的準(zhǔn)確度；后者影響了MR技術(shù)在精準(zhǔn)手術(shù)中的應(yīng)用效果；前者依賴影像數(shù)據(jù)的精密獲取，后者人工智能追蹤識(shí)別可能是有望解決的有效方案。

本次MR平臺(tái)遠(yuǎn)程協(xié)作機(jī)器人手術(shù)，是全球范圍內(nèi)首次利用MR技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作的機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)，本次手術(shù)的成功完成，證實(shí)了MR技術(shù)在機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)和遠(yuǎn)程協(xié)作醫(yī)療中的可行性和優(yōu)越性。