基于三维超声成像的软组织外科导航技术的临床应用进展

杨成帅 综 述 张诗雷 审 校

基于三维超声成像的软组织外科导航技术的临床应用进展

杨成帅 综 述 张诗雷 审 校

近年来医学影像技术飞速发展，通过将多模式的医学图像整合到手术导航系统中，可以有效提高外科手术的精确性和灵活性，增加手术安全性并缩短手术时间。我们对近年来新兴的基于三维超声成像的软组织外科导航技术，在医学外科领域的应用现状进行综述，系统阐述了其原理、临床应用及优缺点。

三维超声软组织导航外科

1 概述

外科手术导航是指以CT、MRI等医学影像数据为基础，通过术中与术前影像融合，建立虚拟现实空间，结合三维可视化技术进行手术模拟，并借助各种定位仪器跟踪术中手术器械相对于人体组织器官的位置关系，从而引导医生更为安全、高效地开展手术[1]。手术导航系统通过在手术过程中不断跟踪手术进程，向医生提供导航信息，引导医生调整手术路径及方法，可有效地降低手术风险，提高手术的成功率。

手术导航技术起源于神经外科的框架式立体定向技术。上世纪80年代，随着医学影像技术的迅速发展，特别是CT、MRI在医学领域的广泛应用，使立体定向导航技术进入了无框架引导手术的模式。1986年，Roberts等在CT影像引导下实施无框架立体定位显微手术并取得成功，首次提出了无框架立体定位手术的概念[2]。此后，基于图像引导手术导航技术的发展经历了一系列的改进和变化。从最初的机械臂跟踪系统，发展为如今的主动或被动的光学、电磁定位三维动态导航系统，并在临床上广泛应用。其优势在于：①精确定位术区解剖结构及病理组织；②术前仿真模拟，制定手术计划；③控制切除范围和手术入路，保护重要结构组织[3]。目前使用的多数手术导航系统，主要是针对无形变的骨性结构，该导航系统在骨性或硬性结构框架内的操作准确性较好，但在涉及软组织的手术时，用于术中导航的术前图像无法实时反映术中软组织的形态，容易出现较大定位偏差。主要为手术中各解剖结构间的位置发生变化或软组织产生形变，如胸腹手术中患者呼吸或心跳的影响、术中体位的移动或改变、软组织由于按压等引起的形变、手术操作如切除引起的组织结构变化等。因此，迫切需要新的能够跟踪反映组织形变的手术导航系统，以满足实际工作的需要[4]。

为了解决术中软组织形变引发的难题，以提高术中定位精度，目前是在术中引入CT、MRI，利用术中获得的形变后的软组织断层图像与术前影像配准融合后，根据融合后的图像进行手术导航。但由于术中CT/MRI并非实时连续成像，产生的电离辐射会对患者造成二次创伤[5]，且因所需设备庞大复杂、扫描图像耗时较久和成像速度慢等问题，使得该方法难以普及应用。而超声诊断技术在现代临床诊疗中有着独特的应用优势，具有价廉、应用广、实时性强，且对患者无电离辐射损伤等优点。尤其在手术过程中，超声诊断对于手术器械和人体脏器的影响很小，并能实时反映术中软组织解剖结构的改变，因此近年来得到了极大的关注。

早期的相关研究，主要是基于术中二维超声图像引导的手术导航技术。但是，基于二维超声图像引导的手术导航存在着很多问题，例如：术中仅能提供人体断面的二维图像，缺乏直观性，需要医生根据解剖知识和临床经验想象出图像所包含的三维结构，使诊断的准确性和定位精度都存在可能的偏差。而三维超声成像技术可以提供病变部位直观、立体的三维结构，弥补了二维超声的不足，因此基于三维超声成像的软组织手术导航技术已成为新的研究热点。该技术使用三维超声图像作为术中引导图像，在手术过程中可以随时采集和更新病灶图像。此外，手术器械的位置和超声探头的三维姿态信息可以通过光学定位或电磁定位设备获得，最终将病灶和手术器械的实时空间信息融合显示在屏幕上，对目标区域的三维结构和软组织形变进行实时有效跟踪，医生根据显示屏上的导航信息进行手术，明显提高了软组织手术的精度，有着切实的临床应用价值[6-7]。

2 基于三维超声成像手术导航系统的工作原理

该手术导航系统主要由超声仪、图形工作站、手术器械以及磁定位器（或光学定位装置）组成。超声仪获取实时B型超声图像并传送至工作站；图形工作站用于数据采集、图像处理；磁定位器（或光学定位装置）跟踪超声探头及手术器械的位置和运动方向。获取三维超声图像的前提是确定二维超声图像在三维空间的位置，当术中用装有定位装置的超声探头进行病灶区域扫描时，工作站获取超声图像的同时，也记录下该图像所在空间中的位置、方向。当每张图像给定了位置和方向，得到每个像素点三维模型空间中的坐标，利用最近邻相靠法将每个像素分配到三维模型空间的标准晶格中。最后对于标准晶格中空白部分，通过空间插值方法进行填充，形成标准的断层图像序列空间[8]，利用工作站勾勒出的图像，重建出病变区域的空间立体结构，将得到的三维超声数据通过配准算法与术前的CT/MRI数据进行融合。同时，手术器械和超声探头的位置信息也被输送到图形工作站，并不断更新，最终将跟踪的手术器械叠加显示在融合的图像上，就可以实现对手术过程的实时导航。

3 临床应用进展

目前,基于三维超声成像的手术导航技术的临床应用研究，主要集中于软组织来源疾病的精确定位治疗，特别是在神经外科和普外科领域[9-10]，常被辅助用于肿瘤定位、穿刺活检及介入治疗等[11]。该手术导航系统不仅可以优化治疗路径规划，而且能够跟踪治疗装置，实时显示病灶的三维空间位置信息。同时，也可为良性肿瘤的微创治疗及恶性肿瘤的根治性治疗提供更多的帮助。

3.1 神经外科领域的应用

目前，在神经外科手术中，光学神经导航系统得到了广泛的应用[6，12]。该导航系统采用术前的医学影像资料，但是术中由于脑组织的形变和移位，会对定位的准确性造成影响，需要术中实时扫描来纠正影像漂移造成的误差[13]。基于三维超声成像的手术导航技术可以获得术中实时更新的病灶区域的超声图像，通过与术前的MRI图形融合，能够很好地解决术中脑组织移位的问题，并可明确肿瘤的位置、大小及与周围重要血管的关系，可更加精确地控制肿瘤的切除范围[14]。田增民等[15]应用该导航技术实施了20例神经外科手术，取得了良好的效果，认为基于术中三维超声图像引导的手术导航技术能准确分辨和定位病灶，并且能够使术者明确瘤体大小及其与周围结构的毗邻关系，这较常规直视下的手术操作更易于判定肿瘤的边界。常规囊性血管母细胞瘤的切除手术过程中出血风险非常大[16]，并且术后复发率很高[17]，而术中实时超声引导可以对瘤结节精确定位，提供实时的血流信息，从而可以保证完整切除瘤体、降低手术出血风险及术后复发率，并减少了对周围正常脑组织的损伤[18]；利用术中超声进行微创脑内血肿清除，能够准确定位血肿位置，可以通过大脑沟入路清除血肿，无需进行皮质造瘘，避免了损伤脑皮质[19]；用于颅内血管畸形手术时，术中超声可以对畸形血管团及其毗邻结构进行实时扫描并监测血流动力学，避免因术中的错误判断而导致大出血及正常脑组织的损伤[20]。上述临床实验均证实了基于三维超声成像手术导航系统在神经外科手术方面的优越性。

3.2 普外科领域的应用

3.2.1 肝、肾脏肿瘤中的应用

研究资料表明，如果肿瘤的直径非常小、声像图显示不清晰，那么其治疗后的复发率会上升[21]。Rhim等[22-23]研究发现，肝脏肿瘤边界不确定造成射频治疗的不彻底，其发生率在7.9%~18.0%之间。因而采用多模态图像融合、基于术中三维超声成像的手术导航技术则显示出独特优势，可应用该手术导航技术对肿瘤的边界进行精确计算，并尝试精确定位手术器械的位置。Maeda等[24]使用融合了超声、MRI图像的导航技术对34例患者（351个靶目标）进行肝脏肿瘤的射频消融和乙醇注射治疗。在射频过程中，图像融合系统可以清楚显示超声探头、射频针、肿瘤和门静脉，图像融合的误差在3 mm左右。结果表明，所有患者的治疗过程均是安全有效的，并且无任何严重并发症发生。在该导航技术的引导下，对肝内占位性病变进行介入诊疗，大大提高了病变定位和穿刺的准确性，同时也为术者制定手术方案和路径提供了更为直观的空间信息[25]。

Ukimura等[26]对10例肾癌患者使用实时超声及CT图像融合导航技术进行射频消融治疗。患者在术前进行了腹部CT扫描，然后将图像导入导航系统的图形工作站进行三维重建，重建完成后能够得到肾脏肿瘤各个角度的图像信息，在导航系统的辅助下完成射频消融治疗。整个治疗过程中无明显并发症发生。随访显示，10例患者均无复发。

3.2.2 肝、肾脏囊肿中的应用

在传统的肝、肾囊肿穿刺手术中，医生主要通过二维超声图像对手术过程进行检测，完全依靠临床经验对穿刺点和病灶靶点进行定位。但是，在穿刺时很难监测针尖的位置，从而降低了手术效率。在术中三维超声图形引导导航技术的辅助下实施穿刺手术，可以精确地对病灶靶点进行定位，实时显示病灶和针尖的位置，大大提高了手术效率，增加了手术的安全性。刘少丽等[27]使用该导航技术，共实施了5例囊肿穿刺术，其中3例肾囊肿，2例肝囊肿（5 cm＜直径＜8 cm），整个手术过程耗时30 min左右，机器人的全部工作均在10 min以内完成，定位精度均在1 mm以内。经术后评价，患者治疗效果良好。该临床实验表明，基于三维超声成像技术的导航技术，能够提供病灶区的立体结构信息，通过术前规划精确定位病灶和进针点，精确控制手术器械的运动幅度，极大地提高了手术治疗效果[27]。

3.2.3 乳腺肿瘤中的用

目前，基于三维超声成像的导航技术也已应用于乳腺肿瘤的治疗中。高频超声能够辨认多种乳腺肿瘤，而乳腺MRI诊断乳腺癌的敏感度为94%～100%，特异度在20%～100%之间，两种图像融合的优势在于结合了高分辨率的超声图像和磁共振的功能成像[10]。Nakano等[28]使用该系统对65例乳腺肿瘤患者进行了术中实时超声图像引导手术，主要目的是为了探查乳腺中的偶发增强病灶并对其进行定性判断。结果发现，利用该导航系统进行图像的实时融合对偶发增强病灶的发现率为83%，远高于使用单种影像学方法（30%），并且可以在术中借助三维超声成像的方法重构肿块的立体结构，较清楚地显示了与邻近组织的关系，以便于及时调整手术路径，精确定位病灶靶点，减小手术创伤。

3.2.4 甲状腺肿瘤中的应用

对于早期甲状腺癌的治疗，应以尽量保存患者功能、提高患者生存质量为原则。如何彻底切除癌组织，缩小手术范围，保护颈部功能，是手术治疗的关键所在。实时术中三维超声成像与手术导航系统联合应用，可以尽可能地切除病灶并保留正常组织，减小了手术创伤，改善了术后颈部的畸形[29]。此外，该系统在甲状腺肿物定位穿刺活检及术后放疗定位中的应用，也具有独特的优势[30]。

4 展望

目前，基于三维超声成像的导航技术在诊断和治疗方面全面发展，已经应用于多个学科领域。但是，术中三维超声成像的实现和应用过程中，还有许多关键技术问题未能解决，因而无法完全满足精准多变的临床需求。

4.1 三维重建速度及图像质量的提升

目前已处于临床实验阶段的三维超声成像系统的重建速度比较慢。一是因为重建的数据量比较大，二是因为超声图像的固有斑点噪声需要进行预处理。因此，在保证重建质量的前提下应尽可能缩短重建时间。此外，在三维重建过程中，重建的速度和质量是一对不可调节的矛盾，我们必须在保证质量的前提下，尽量提高重建的速度。

4.2 图像融合配准技术的改进

目前图像融合配准多应用手工配准，操作难度大，对操作者的临床经验要求高。故目前急需研发一种精度高、稳定性好、全自动化的医学图像配准和融合方法。

4.3 应用适应症的扩展

超声与CT/MRI等图像融合技术近年来刚应用于临床，优势明显，发展迅速。目前，这一新技术正日益广泛地应用于神经外科和腹部、乳腺、甲状腺等疾病的治疗。但是，在修复重建与整复外科领域（如肿瘤引起的缺损或畸形、眼部、胸部整形等）尚无基于术中超声与术前CT/MRI融合引导的手术导航系统应用于软组织手术的相关报道。相信随着多学科的交叉渗透和配合，相关研究必将继续深入，三维超声导航技术将会越来越成熟，并在修复重建与整复外科领域得到广泛的推广和应用，创造更多的临床价值。

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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）

国家自然科学基金（81371193）；上海市医学图像处理与计算机辅助手术重点实验室开放课题（13DZ2272200-4）。

200011上海市上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颅颌面科。

张诗雷（E-mail：leinnymd@hotmail.com）。