混合现实技术在肝胆肿瘤手术中的应用

梅昆有，李 治，王 罡，季云海，张宏江，吴昆华，王峻峰

(1.昆明理工大学医学院，云南 昆明 650500；2.云南省第一人民医院影像科，3.肝胆外科，云南 昆明 650100)

肝胆肿瘤较常见，其中恶性肿瘤居多。目前手术是治疗肝胆肿瘤的首选方法[1-2]，其原则是最大限度消除病灶，保留肝胆功能，但手术治疗出血量多、创伤大。对于小肝癌，微创治疗具有很大优势；而对于早期及转移性肝胆肿瘤，综合诊治作用明显[3]。借助生物技术和信息技术，近年迅速发展的数字化精准医疗对医学发展有巨大的推动作用，有助于疾病的预防、诊断及治疗[4-6]。混合现实技术将现实世界与虚拟世界融合，涉及多个学科。通过混合现实技术可将真实场景与三维可视化的偏移量达到最小[7-8]。本研究探讨混合现实技术用于肝胆肿瘤手术的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2019年3—6月于云南省第一人民医院肝胆外科接受手术治疗的47例肝胆肿瘤患者，包括肝肿瘤35例、胆道肿瘤12例，其中16例(观察组)接受混合现实技术肝胆肿瘤手术，男10例，女6例，年龄39～68岁，平均(53.3±8.8)岁；31例(对照组)接受传统方法手术治疗，男16例，女15例，年龄33～70岁，平均(53.2±9.6)岁。所有患者均无手术禁忌证，且无其他系统严重疾病，经术后病理学检查确诊；患者及家属均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法

1.2.1 仪器 GE LightSpeed 64排CT机；Siemens Magnetom Symphony 1.5T MR扫描仪；zSpace300一体机、zSpace专用定位笔、zSpace-E2R-710 3D追踪眼镜(zSpace公司)。Mimics Reacher 20.0(Materialise公司)三维重建软件系统。

1.2.2 治疗方法 对观察组行上中下腹部CT平扫+增强检查或常规MR检查，采集CT或MRI原始数据；将层厚1.5 mm以下的薄层DICOM原始数据导入Mimics Research 20.0三维重建软件系统，显示各组织器官，并根据病灶情况于CT或MRI上分别勾画肝动脉、门静脉、肝静脉、肝脏、胆道及肿瘤，并进行模板分割，经软件系统自动处理生成STL(Stereo Lithography)多边形三维数据格式文件。通过渲染数字化处理的三维模型，在服务端根据影像序列优化算法、优化模型坐标和数据(将重建后的STL文件导入专业优化修改工具Autodesk 3Ds MAX 2017版本软件，将模型面数优化至30 000面以下)，导入混合现实手术导航系统，利用三维空间坐标标记组织、器官之间的空间位置，并赋予正确名称，对各组织、器官进行参数调配，包括透明化程度(%)和体积计算值(ml)，并设置相关实用功能，包括切割、内窥、穿刺及测量等。混合现实展示技术路线图见图1。术者于手术室观察混合现实手术规划模拟系统展示出的图像信息，佩戴追踪眼镜后，用专用定位笔将虚拟三维模型移动至患者的叠加位置，误差范围1～5 mm；术中根据虚拟三维模型精准定位目标病灶，于实时影像导航下对手术位置、角度、深度、大小进行缩放匹配，实现混合现实引导下的手术操作。对照组行传统方式手术治疗。记录2组自开始实施手术到手术完成的平均时间和术中平均出血量。

1.3 统计学分析 采用SPSS 21.0统计分析软件。符合正态分布的计量资料以±s表示，采用独立样本t检验比较2组间平均手术时间和术中平均出血量。P<0.05为差异有统计学意义。

图1 混合现实展示技术路线图

2 结果

通过对CT或MRI数据构建三维模型，以不同颜色标记各组织、器官，可区分各组织、器官之间的相对毗邻位置关系，以Mimics软件勾画病灶位点，经渲染可清晰测量病灶大小，进行术前讨论与操作演练，见图2A～2D。混合现实导航系统引导手术过程，可准确提供病灶位置，显示手术器械与病灶之间的相对关系，见图2E～2H。

观察组和对照组平均手术时间分别为(296.25±65.37)min、(391.45±79.75)min(t=2.280，P=0.029)，术中平均出血量分别为(318.75±99.20)ml、(560.32±227.53)ml(t=2.080，P=0.046)。

3 讨论

近年来，在数字化精准医疗快速发展的大背景下，多学科交叉融合应用于医疗，混合现实是在虚拟现实技术(virtual reality, VR)与增强现实技术(augmented reality, AR)相互融合后进一步发展而来的产物，通过将虚拟信息叠加于真实事物，实现人、现实世界、虚拟世界间的信息交互，使人的感知与计算机一体化，实现沉浸式深度交互，可提供最真实的体验感[9-10]。目前混合现实技术应用于医学的研究尚处于起步阶段。

肝胆肿瘤治疗较困难，以消融手术为代表的微创治疗手段在20世纪90年代后迅速发展，但消融手术对于肿瘤的精准定位要求高，术者仅凭CT或MRI较难获得病灶的立体直观的模型信息，手术过程完全依赖术者的空间想象力和手术经验。

将混合现实技术用于肝胆肿瘤手术治疗具有广阔的前景。术前通过对原始影像数据进行三维重建，经混合现实展示可获得肝胆肿瘤模型，有助于分析病灶与周围组织器官的毗邻关系、体积大小等信息。术前讨论可制定个性化治疗方案，通过模型建立医师与患者、医师与医师间的沟通渠道，使患者对疾病及其潜在风险有更多了解，从而提高其参与度[11]。本研究采用专用定位笔将虚拟三维模型移动至患者的人体叠加位置，术者可以患者肝胆外轮廓作为参照，判断叠加位置的准确度；通过配戴zSpace 3D追踪眼镜，术者可看到整体三维模型，实现手术过程的渲染和追踪。传统外科手术主要依靠术者的临床经验、想象力以及病灶的二维影像学表现等制定手术方案。混合现实技术有助于医师于术前模拟手术过程、探讨并制定手术方案；术中通过观察立体模型，达到小误差范围内的精准定位、明晰手术路径、实时导航，可显著降低手术风险，减少术中出血量，缩短手术时间[12]。本研究观察组平均手术时间和平均出血量均较对照组减低。

图2患者男，57岁，肝脏肿瘤 A.冠状位CT图像病灶(粉红色)标记图； B.轴位CT图像病灶(粉红色)标记图； C.三维重建成像效果图； D.术前讨论与操作演练; E.侧面虚拟三维模型与真实人体融合叠加； F.正面虚拟三维模型与真实人体融合叠加； G.术中参照虚拟三维模型精准定位病灶； H.术中进行微波消融手术

混合现实技术涉及多学科交叉，尚处于起步阶段[13]，存在诸多不足：采集CT或MRI时，患者体位变化、呼吸运动可影响数据的精确度，使后续三维模型重建出现偏差；混合现实技术相关配套设施较为昂贵，目前尚无法普及[14]；培养相关技术人才的成本较高。

综上所述，混合现实引导肝胆肿瘤手术具有较高应用价值，值得推广。