混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在口腔頜面-頭頸腫瘤手術(shù)中應(yīng)用的初步探索

郭陟永 丁張帆 苗誠 李春潔 唐休發(fā) 張壯

口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院頭頸腫瘤外科，成都 610041

混合現(xiàn)實(shí)（mixed reality，MR）技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新技術(shù)，該技術(shù)能夠突破虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的界限，將數(shù)字化數(shù)據(jù)整合至人對(duì)于真實(shí)世界的感知中，使人獲得模擬的感覺，如視覺、聽覺等，并與之交互。從本質(zhì)上來講，MR技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)的結(jié)合[1]。MR技術(shù)在外科手術(shù)中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，然而目前國內(nèi)外缺乏將該技術(shù)應(yīng)用于口腔頜面-頭頸腫瘤外科的報(bào)道。本文報(bào)道了四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院頭頸腫瘤外科應(yīng)用MR技術(shù)進(jìn)行口腔頜面-頭頸腫瘤手術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了討論。

1 方法介紹

1.1 采集數(shù)據(jù)

患者于術(shù)前接受影像學(xué)檢查，如計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）、增強(qiáng)計(jì)算機(jī)斷層掃描（contrast enhanced computed tomography，CECT）、磁共振成像（magnatic resonance imaging，MRI）等，將獲得的醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和通訊數(shù)據(jù)（digital imaging and communications in medicine，Dicom）導(dǎo)入三維影像工作站（安徽紫微帝星數(shù)字科技有限公司），對(duì)原始數(shù)據(jù)分期（平掃期、動(dòng)脈期、靜脈期）后根據(jù)分期進(jìn)行重建。

1.2 三維重建

三維重建后選擇興趣區(qū)域，確定了最佳閾值，最大限度地覆蓋重建區(qū)域，保證與周圍組織區(qū)分度較大，獲得蒙版之后，再進(jìn)行編輯。在三維模型初步重建之后，對(duì)其進(jìn)行平滑（器官以及血管表面平滑處理）、包裹（尖銳三角面優(yōu)化成曲面）、打磨（打磨凸起部分至平滑）、鏤空（血管或者空腔性器官鏤空）、輪廓線編輯（邊界輪廓線調(diào)整）等優(yōu)化后，最后組合模型，完成最終的三維重建（圖1）。

1.3 臨床應(yīng)用

將最終的三維重建模型導(dǎo)入頭戴式全息顯示器HoloLens（微軟公司，美國）中，分析觀察病變與動(dòng)脈、靜脈毗鄰關(guān)系，評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、決定是否進(jìn)行手術(shù)、制定手術(shù)計(jì)劃。當(dāng)患者進(jìn)行手術(shù)時(shí)，術(shù)者佩戴HoloLens，術(shù)中可以實(shí)時(shí)瀏覽三維重建影像（圖2），同時(shí)將虛擬模型疊加于真實(shí)術(shù)區(qū)，在MR技術(shù)引導(dǎo)下完成手術(shù)。

圖1 三維重建流程圖Fig 1 Flow chart of 3D reconstruction

圖2 佩戴頭戴式全息顯示器進(jìn)行手術(shù)的術(shù)中照片F(xiàn)ig 2 Intraoperative images of the surgeon wearing head-mounted holographic display

2 典型病例

2.1 病例1

患者女性，36歲，因“發(fā)現(xiàn)右咽旁包塊5月余”入院。專科檢查：右軟腭、咽側(cè)壁明顯膨隆，可捫及一質(zhì)中偏硬包塊，約4 cm×3 cm大小，界限欠清，活動(dòng)度差，觸痛（-）。入院診斷：右腮腺深葉多形性腺瘤。通過MR技術(shù)進(jìn)行三維重建后可見：右側(cè)咽旁間隙區(qū)域約4.4 cm×4.9 cm的占位性病變，病變向內(nèi)推擠咽側(cè)壁，向后推擠頸動(dòng)脈鞘，向上層面達(dá)右側(cè)翼突后方層面，向外緊鄰右側(cè)下頜支（圖3A、B）?？紤]經(jīng)口內(nèi)手術(shù)難度較大，因此選擇頜下入路。術(shù)中疊加于真實(shí)視野的模型穩(wěn)定、清晰。在MR引導(dǎo)下保留面動(dòng)、靜脈（圖4）。

2.2 病例2

患者男性，53歲，因“發(fā)現(xiàn)右腭部包塊10天”入院。專科檢查：右腭部可觸及一大小約4 cm×5 cm大小包塊，質(zhì)地軟，邊界較清，活動(dòng)度可。入院診斷：右腭神經(jīng)鞘瘤。MR重建結(jié)果示：右側(cè)口咽一大小約4.1 cm×2.6 cm×4.5 cm占位病變，口咽向左側(cè)偏移（圖3C、D）。手術(shù)過程順利，術(shù)中所見病變的位置以及病變與毗鄰解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系與重建結(jié)果相一致。

2位患者均未出現(xiàn)手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥，隨訪至2019年8月，均未復(fù)發(fā)。

3 討論

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)及手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)在過去幾十年間得到了迅速的發(fā)展，然而目前還存在著一些問題：例如，術(shù)者很難將2D斷層影像與真實(shí)術(shù)區(qū)匹配，對(duì)術(shù)區(qū)的反復(fù)定位往往浪費(fèi)大量的時(shí)間[2]；傳統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中，影像資料顯示在遠(yuǎn)離術(shù)野的另一屏幕上，術(shù)者往往需要離開術(shù)區(qū)，而這樣有潛在的風(fēng)險(xiǎn)——例如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)術(shù)區(qū)出血、器械掉落等[2-3]。近年來，基于3D技術(shù)的VR及AR在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，尤其是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但是，VR和AR技術(shù)存在先天的局限性，例如AR技術(shù)無法與三維重建影像進(jìn)行互動(dòng)；VR則無法顯示周圍真實(shí)世界。為了克服VR和AR技術(shù)的局限，MR技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其結(jié)合了AR及VR的優(yōu)勢(shì)，使術(shù)者不僅可以看到真實(shí)術(shù)區(qū)影像，而且可以通過虛擬的影像與之互動(dòng)，為手術(shù)模擬和操作提供了極大的便利。目前MR技術(shù)已被報(bào)道應(yīng)用于骨科、胸外科、神經(jīng)外科等，但其在口腔頜面-頭頸腫瘤外科的應(yīng)用目前國內(nèi)外尚未見報(bào)道[1,4-6]。

圖3 術(shù)前增強(qiáng)CT三維重建顯示病灶與周圍血管的關(guān)系Fig 3 3D reconstruction images of the lesion and blood vessels

圖4 病例1的術(shù)前三維重建影像、術(shù)中情況、術(shù)后隨訪Fig 4 The case 1 patient's CT, reconstruction of mixed reality holographic images, intraoperative images and 1 year follow up image

術(shù)者對(duì)患者特定解剖結(jié)構(gòu)的空間理解，決定了手術(shù)的精確性和安全性。通過對(duì)患者術(shù)前影像資料進(jìn)行三維重建，3D模型可以直觀地展示出病變與鄰近重要解剖結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，融合MR技術(shù)進(jìn)行術(shù)中導(dǎo)航，直接將術(shù)前患者的虛擬影像疊加于真實(shí)術(shù)區(qū)，可以清晰地看到病灶所在邊界和位置，避開重要的器官結(jié)構(gòu)，完整切除病灶。利用這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)，首先，作者利用重建的3D模型與患者及家屬進(jìn)行術(shù)前溝通，相較于使用二維圖像，患者可以更加容易了解自己的病情、手術(shù)方案及潛在的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)依從性；其次，通過3D模型術(shù)前進(jìn)行手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，模擬和設(shè)計(jì)手術(shù)入路。研究表明：使用頭戴式顯示器顯示3D模型，將傳統(tǒng)的2D圖像的臨床評(píng)估時(shí)間縮短了近4倍[7]；同時(shí)，可視化的術(shù)前評(píng)估對(duì)于術(shù)者的信心和手術(shù)安全性的提升也具有潛在優(yōu)勢(shì)[7-8]；第三，在3D模型基礎(chǔ)上，術(shù)中利用MR技術(shù)在不離開術(shù)野的情況下與三維模型進(jìn)行交互，對(duì)腫瘤邊界進(jìn)行了精準(zhǔn)定位，腫瘤與大血管的位置關(guān)系實(shí)時(shí)觀察，進(jìn)一步提高了手術(shù)的精確性和安全性。雖然在本研究中進(jìn)行手術(shù)的患者均為單病灶，但考慮到MR技術(shù)的特點(diǎn)，應(yīng)用MR技術(shù)進(jìn)行術(shù)中導(dǎo)航可能會(huì)使多病灶患者有更高的獲益。此外，由于頜面部復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，對(duì)于年輕外科醫(yī)生手術(shù)理論的理解和手術(shù)技能的提高非常具有意義，因?yàn)槿S模型的學(xué)習(xí)曲線相比于二維圖像更為平緩[9]。

MR技術(shù)成功與手術(shù)融合并付諸于臨床實(shí)踐，優(yōu)良的MR設(shè)備是一個(gè)重要的決定性因素。目前，頭戴式MR設(shè)備的研發(fā)雖然已取得了一定的成果，但仍處于初級(jí)階段。本研究使用的頭戴式全息顯示器Holo-Lens，重量輕（579 g），佩戴舒適，長時(shí)間使用也不會(huì)引起術(shù)者疲勞、疼痛等[10-11]。充滿電后可以續(xù)航2～3 h，能夠滿足大多數(shù)口腔頜面手術(shù)的需要。更重要的是，可以通過手勢(shì)和語音命令進(jìn)行HoloLens操作，在保證無菌操作的情況下，可以無縫地將三維信息整合至外科醫(yī)生的手術(shù)視野中，包括擬手術(shù)計(jì)劃的全息圖和三維模型等。這種數(shù)字化信息的提供，使頭戴式MR設(shè)備在頜面外科手術(shù)中可能具有更廣闊的應(yīng)用前景。

MR技術(shù)可以與其他技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于臨床，例如：經(jīng)口腔機(jī)器人手術(shù)（transoral robotic surgery，TORS）的微創(chuàng)手術(shù)（minimally invasive surgery，MIS），因其能夠在最大程度減小創(chuàng)傷和手術(shù)并發(fā)癥，同時(shí)達(dá)到根治病灶的目的[12-13]，在口腔頜面外科領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。TROS系統(tǒng)中集合了多種數(shù)據(jù)源來輔助手術(shù)的精確實(shí)施，包括：術(shù)前影像學(xué)資料、實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)、術(shù)中實(shí)時(shí)影像[14-15]。MR技術(shù)可給給術(shù)者提供良好的手術(shù)參考，輔助術(shù)者精準(zhǔn)地完成手術(shù)。Chan等[16]將AR技術(shù)應(yīng)用于TROS，并在尸體上進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，MR技術(shù)能夠有效提升手術(shù)的精確性，尤其是當(dāng)病灶位于舌根部等軟組織形變較嚴(yán)重的區(qū)域時(shí)，MR技術(shù)能夠提供良好的參考。MR技術(shù)介導(dǎo)的TORS有可能會(huì)在未來的頭頸部手術(shù)中大放異彩。

盡管基于3D重建的MR技術(shù)有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但其臨床應(yīng)用還存在著諸多局限。首先，MR技術(shù)的基礎(chǔ)是術(shù)前構(gòu)建的個(gè)體化3D模型，在模型的構(gòu)建過程中，影像原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，包括數(shù)據(jù)源、掃描層厚、造影劑顯示時(shí)機(jī)的把握等都會(huì)極大地影響3D重建的精確性；其次，口腔頜面部軟組織具有一定的移動(dòng)性，MR技術(shù)應(yīng)用中實(shí)時(shí)定位的精度無法得到更好的保證。第三，重建模型疊加于真實(shí)視野可能會(huì)影響術(shù)者的視野，需臨床醫(yī)生逐步適應(yīng)。在本研究中筆者也發(fā)現(xiàn)，虛擬影像與術(shù)野的匹配在不同區(qū)域誤差不同，主要由軟組織的漂移引起，為1～2 mm。因此，虛擬影像只能作為術(shù)者的參考，即MR技術(shù)僅可作為輔助手術(shù)的手段，不能當(dāng)作絕對(duì)的手術(shù)導(dǎo)板[9]。目前，本課題組認(rèn)為總結(jié)基于3D重建的MR技術(shù)在臨床應(yīng)用的適應(yīng)證為時(shí)過早，但是在以下一些情況推薦應(yīng)用：首先，無法進(jìn)行常規(guī)臨床檢查和評(píng)估的腫瘤患者，例如張口受限、舌固定；其次，腫瘤病變所在解剖區(qū)域復(fù)雜、深在，毗鄰重要的血管，如顱底、咽旁間隙等；第三，腫瘤復(fù)發(fā)導(dǎo)致多處散在復(fù)發(fā)病灶的評(píng)估和模擬手術(shù)設(shè)計(jì)；第四，軟組織漂移較小的器官保留手術(shù)，例如腮腺腫瘤的精準(zhǔn)部分切除。隨著3D重建精度的提高（比如AI智能模式的引入），以及未來實(shí)時(shí)定位跟蹤技術(shù)的改良，MR技術(shù)精度會(huì)得到進(jìn)一步的提高，臨床應(yīng)用也會(huì)逐步普及。

綜上所述，MR技術(shù)可以通過構(gòu)建腫瘤的全息三維數(shù)字模型，有效顯示病變的位置及與重要解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系，術(shù)前可以輔助醫(yī)患溝通，評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和模擬手術(shù)，術(shù)中可以實(shí)時(shí)導(dǎo)航，在口腔頜面-頭頸腫瘤外科中具有一定的優(yōu)勢(shì)。盡管MR技術(shù)仍存在著諸多不足，其大規(guī)模臨床應(yīng)用也有賴于相關(guān)技術(shù)的強(qiáng)有力支撐，但是就其發(fā)展方向來說，符合數(shù)字化外科及精準(zhǔn)手術(shù)的發(fā)展潮流，還需要在今后的臨床實(shí)踐中繼續(xù)總結(jié)和完善。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。