混合現實技術在口腔頜面-頭頸腫瘤手術中應用的初步探索

郭陟永 丁張帆 苗誠 李春潔 唐休發 張壯

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫學研究中心四川大學華西口腔醫院頭頸腫瘤外科，成都 610041

混合現實（mixed reality，MR）技術是近年來出現的一種新技術，該技術能夠突破虛擬世界和現實世界的界限，將數字化數據整合至人對于真實世界的感知中，使人獲得模擬的感覺，如視覺、聽覺等，并與之交互。從本質上來講，MR技術是虛擬現實（virtual reality，VR）和增強現實（augmented reality，AR）技術的結合[1]。MR技術在外科手術中具有巨大的應用價值，然而目前國內外缺乏將該技術應用于口腔頜面-頭頸腫瘤外科的報道。本文報道了四川大學華西口腔醫院頭頸腫瘤外科應用MR技術進行口腔頜面-頭頸腫瘤手術的經驗，并結合國內外相關文獻進行了討論。

1 方法介紹

1.1 采集數據

患者于術前接受影像學檢查，如計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、增強計算機斷層掃描（contrast enhanced computed tomography，CECT）、磁共振成像（magnatic resonance imaging，MRI）等，將獲得的醫學數字影像和通訊數據（digital imaging and communications in medicine，Dicom）導入三維影像工作站（安徽紫微帝星數字科技有限公司），對原始數據分期（平掃期、動脈期、靜脈期）后根據分期進行重建。

1.2 三維重建

三維重建后選擇興趣區域，確定了最佳閾值，最大限度地覆蓋重建區域，保證與周圍組織區分度較大，獲得蒙版之后，再進行編輯。在三維模型初步重建之后，對其進行平滑（器官以及血管表面平滑處理）、包裹（尖銳三角面優化成曲面）、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（邊界輪廓線調整）等優化后，最后組合模型，完成最終的三維重建（圖1）。

1.3 臨床應用

將最終的三維重建模型導入頭戴式全息顯示器HoloLens（微軟公司，美國）中，分析觀察病變與動脈、靜脈毗鄰關系，評估手術風險、決定是否進行手術、制定手術計劃。當患者進行手術時，術者佩戴HoloLens，術中可以實時瀏覽三維重建影像（圖2），同時將虛擬模型疊加于真實術區，在MR技術引導下完成手術。

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行手術的術中照片Fig 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“發現右咽旁包塊5月余”入院。專科檢查：右軟腭、咽側壁明顯膨隆，可捫及一質中偏硬包塊，約4 cm×3 cm大小，界限欠清，活動度差，觸痛（-）。入院診斷：右腮腺深葉多形性腺瘤。通過MR技術進行三維重建后可見：右側咽旁間隙區域約4.4 cm×4.9 cm的占位性病變，病變向內推擠咽側壁，向后推擠頸動脈鞘，向上層面達右側翼突后方層面，向外緊鄰右側下頜支（圖3A、B）。考慮經口內手術難度較大，因此選擇頜下入路。術中疊加于真實視野的模型穩定、清晰。在MR引導下保留面動、靜脈（圖4）。

2.2 病例2

患者男性，53歲，因“發現右腭部包塊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，質地軟，邊界較清，活動度可。入院診斷：右腭神經鞘瘤。MR重建結果示：右側口咽一大小約4.1 cm×2.6 cm×4.5 cm占位病變，口咽向左側偏移（圖3C、D）。手術過程順利，術中所見病變的位置以及病變與毗鄰解剖結構關系與重建結果相一致。

2位患者均未出現手術相關并發癥，隨訪至2019年8月，均未復發。

3 討論

醫學影像技術及手術導航技術在過去幾十年間得到了迅速的發展，然而目前還存在著一些問題：例如，術者很難將2D斷層影像與真實術區匹配，對術區的反復定位往往浪費大量的時間[2]；傳統手術導航系統中，影像資料顯示在遠離術野的另一屏幕上，術者往往需要離開術區，而這樣有潛在的風險——例如不能及時發現術區出血、器械掉落等[2-3]。近年來，基于3D技術的VR及AR在各個領域發展迅猛，尤其是在醫學領域。但是，VR和AR技術存在先天的局限性，例如AR技術無法與三維重建影像進行互動；VR則無法顯示周圍真實世界。為了克服VR和AR技術的局限，MR技術應運而生，其結合了AR及VR的優勢，使術者不僅可以看到真實術區影像，而且可以通過虛擬的影像與之互動，為手術模擬和操作提供了極大的便利。目前MR技術已被報道應用于骨科、胸外科、神經外科等，但其在口腔頜面-頭頸腫瘤外科的應用目前國內外尚未見報道[1,4-6]。

圖3 術前增強CT三維重建顯示病灶與周圍血管的關系Fig 3 3D reconstruction images of the lesion and blood vessels

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

術者對患者特定解剖結構的空間理解，決定了手術的精確性和安全性。通過對患者術前影像資料進行三維重建，3D模型可以直觀地展示出病變與鄰近重要解剖結構的位置關系。在此基礎上，融合MR技術進行術中導航，直接將術前患者的虛擬影像疊加于真實術區，可以清晰地看到病灶所在邊界和位置，避開重要的器官結構，完整切除病灶。利用這一技術優勢，首先，作者利用重建的3D模型與患者及家屬進行術前溝通，相較于使用二維圖像，患者可以更加容易了解自己的病情、手術方案及潛在的手術風險，提高手術依從性；其次，通過3D模型術前進行手術風險評估，模擬和設計手術入路。研究表明：使用頭戴式顯示器顯示3D模型，將傳統的2D圖像的臨床評估時間縮短了近4倍[7]；同時，可視化的術前評估對于術者的信心和手術安全性的提升也具有潛在優勢[7-8]；第三，在3D模型基礎上，術中利用MR技術在不離開術野的情況下與三維模型進行交互，對腫瘤邊界進行了精準定位，腫瘤與大血管的位置關系實時觀察，進一步提高了手術的精確性和安全性。雖然在本研究中進行手術的患者均為單病灶，但考慮到MR技術的特點，應用MR技術進行術中導航可能會使多病灶患者有更高的獲益。此外，由于頜面部復雜的解剖結構，對于年輕外科醫生手術理論的理解和手術技能的提高非常具有意義，因為三維模型的學習曲線相比于二維圖像更為平緩[9]。

MR技術成功與手術融合并付諸于臨床實踐，優良的MR設備是一個重要的決定性因素。目前，頭戴式MR設備的研發雖然已取得了一定的成果，但仍處于初級階段。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，長時間使用也不會引起術者疲勞、疼痛等[10-11]。充滿電后可以續航2～3 h，能夠滿足大多數口腔頜面手術的需要。更重要的是，可以通過手勢和語音命令進行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生的手術視野中，包括擬手術計劃的全息圖和三維模型等。這種數字化信息的提供，使頭戴式MR設備在頜面外科手術中可能具有更廣闊的應用前景。

MR技術可以與其他技術相結合應用于臨床，例如：經口腔機器人手術（transoral robotic surgery，TORS）的微創手術（minimally invasive surgery，MIS），因其能夠在最大程度減小創傷和手術并發癥，同時達到根治病灶的目的[12-13]，在口腔頜面外科領域具有良好的應用前景。TROS系統中集合了多種數據源來輔助手術的精確實施，包括：術前影像學資料、實時導航系統、術中實時影像[14-15]。MR技術可給給術者提供良好的手術參考，輔助術者精準地完成手術。Chan等[16]將AR技術應用于TROS，并在尸體上進行了初步實驗，結果顯示，MR技術能夠有效提升手術的精確性，尤其是當病灶位于舌根部等軟組織形變較嚴重的區域時，MR技術能夠提供良好的參考。MR技術介導的TORS有可能會在未來的頭頸部手術中大放異彩。

盡管基于3D重建的MR技術有著其獨特的優勢，但其臨床應用還存在著諸多局限。首先，MR技術的基礎是術前構建的個體化3D模型，在模型的構建過程中，影像原始數據的質量，包括數據源、掃描層厚、造影劑顯示時機的把握等都會極大地影響3D重建的精確性；其次，口腔頜面部軟組織具有一定的移動性，MR技術應用中實時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視野可能會影響術者的視野，需臨床醫生逐步適應。在本研究中筆者也發現，虛擬影像與術野的匹配在不同區域誤差不同，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者的參考，即MR技術僅可作為輔助手術的手段，不能當作絕對的手術導板[9]。目前，本課題組認為總結基于3D重建的MR技術在臨床應用的適應證為時過早，但是在以下一些情況推薦應用：首先，無法進行常規臨床檢查和評估的腫瘤患者，例如張口受限、舌固定；其次，腫瘤病變所在解剖區域復雜、深在，毗鄰重要的血管，如顱底、咽旁間隙等；第三，腫瘤復發導致多處散在復發病灶的評估和模擬手術設計；第四，軟組織漂移較小的器官保留手術，例如腮腺腫瘤的精準部分切除。隨著3D重建精度的提高（比如AI智能模式的引入），以及未來實時定位跟蹤技術的改良，MR技術精度會得到進一步的提高，臨床應用也會逐步普及。

綜上所述，MR技術可以通過構建腫瘤的全息三維數字模型，有效顯示病變的位置及與重要解剖結構的關系，術前可以輔助醫患溝通，評估手術風險和模擬手術，術中可以實時導航，在口腔頜面-頭頸腫瘤外科中具有一定的優勢。盡管MR技術仍存在著諸多不足，其大規模臨床應用也有賴于相關技術的強有力支撐，但是就其發展方向來說，符合數字化外科及精準手術的發展潮流，還需要在今后的臨床實踐中繼續總結和完善。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。