多模態(tài)混合現實技術在顱頜面頭頸腫瘤中的臨床應用

閆大勇，蔡曉清，郭樂樂，鐘克濤，張 瑞

顱頜面頭頸腫瘤包括顱底腫瘤以及來源于鼻腔、口腔、耳、頜骨等組織的頜面部腫瘤。頜面部及其周圍神經血管豐富，手術復雜度高，難度大，一旦損傷，不僅會影響視、聽、嗅、語言、吞咽等功能，嚴重者還可導致死亡。因此，在進行手術前，需對顱頜面腫瘤進行正確評估，從而為臨床治療提供精確的參考依據，減少損傷的發(fā)生[1]。傳統(tǒng)的影像學檢查包括磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)，電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT)等。MRI能較好地顯示腫瘤及腦脊液，但對骨組織及牙體組織顯示有所欠缺；CT對骨組織顯示清晰，但在確定顱底腫瘤與周圍正常結構的位置關系方面有待加強。以往在判斷腫瘤的性質、位置、大小及其與周圍組織的關系時，需將兩者結合起來，綜合考量，對醫(yī)生的三維空間感提出了較高要求。混合現實技術(MR)是一種以多模態(tài)影像融合為基礎的新型成像技術，通過數字化軟件將CT、MRI等影像數據融合，整合血管、神經及周圍組織的數據，進行三維可視化重建，優(yōu)化圖像顯示效果，反映真實疾病情況，從而幫助醫(yī)生術中導航，減少重要結構的損傷風險[2-4]。國內何修勇等也報道，多模態(tài)MR成像技術能多方面、充分顯示腫瘤侵及腸壁的深度及與周圍組織侵犯范圍，提高直腸癌分期的診斷準確性[5]。目前，關于多模態(tài)MR技術在顱頜面腫瘤中應用的研究較少，為此，本研究將深入探討多模態(tài)MR技術在顱頜面腫瘤中的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

以2019年3月—2020年6月我院口腔頜面外科收治的46例顱頜面腫瘤患者為研究對象，其中男25例，女21例，年齡均小于70歲，平均(48.68±10.99)歲。無嚴重系統(tǒng)性疾病，基本情況和臨床病理等信息完整。患者腫瘤類型及例數為側顱底神經鞘瘤6例，口咽癌16例，口底癌6例，腮腺良性腫瘤8例，腮腺惡性腫瘤10例。腫瘤體積為：2.4～8.8 cm3，通過mimics 20.0軟件進行腫瘤三維重建后，可以計算平均體積為：4.4 cm3，腫瘤主要位于顳下窩、翼腭窩和咽旁間隙。

所有患者進行術前常規(guī)檢查、患區(qū)MRI和CT檢查，檢查過程中，患者體位以及頭頸部空間位置與術中體位保持相同，使用頭部固定裝置進行限制，盡可能確保MRI和CT檢查時的空間位置相同。將患者隨機分為對照組和觀察組，每組各23例，對照組患者使用傳統(tǒng)二維CT以及MRI影像資料檢查，進行手術治療。觀察組患者則基于影像資料，運用MR技術多模態(tài)融合后，再進行手術治療。本研究經鄭州市中心醫(yī)院倫理委員會審查和批準，項目研究內容和過程遵循醫(yī)學研究的倫理要求，所有參與者均簽署知情同意書。

1.2 納入與排除標準

病例納入標準：①所有患者均經臨床和(或)病理學診斷為顱頜面頭頸腫瘤；②有手術指征；③心、腎、肝等重要部位無感染或其他嚴重疾病，也未出現可能干擾治療過程的其他情況。

排除標準：①年齡超過70歲；②出現嚴重問題無法進行手術者；③由于其他原因不能堅持治療而中途退出者。

1.3 儀器與方法

1.3.1 儀器與軟件 使用儀器和軟件包括 Philips64排CT機，西門子1.5T磁共振掃描儀，醫(yī)學圖像處理工作站，Microsoft HoloLens眼鏡(圖1)，Mimics Innovation Suite Research 20.0三維重建軟件系統(tǒng)。

圖1 Microsoft HoloLens眼鏡

1.3.2 三維建模 對照組基于二維影像資料，行傳統(tǒng)手術治療。觀察組患者的CT、MRI原始數據則導入Mimics Innovation Suite Research 20.0軟件中構建三維模型。根據DICOM影像數據提供不同的灰度值，對目標組織、器官、腫瘤進行全方位觀察、邊緣檢測和標記，使用軟件內置工具對圖像進行分割提取融合，分別重建CT和MRI三維影像，輸出STL文件，根據骨性結構進行CT和MRI三維影像的多模態(tài)融合。分別如圖2 A、B、C所示。

1.3.3 手術配準及導航 術中將患者體位固定后，通過Microsoft Holo Lens眼鏡視窗，調整虛擬立體成像至1∶1大小，根據選擇的參照點(耳垂下切跡、內眥、外眥以及雙側口角)與手術部位進行配準，將虛擬圖像調整至半透明狀態(tài)，在術區(qū)體表標記相關組織、器官，根據術前討論的虛擬手術計劃，執(zhí)行手術方案。分別如圖2、圖3 D、E所示。

手術中根據操作進度，可通過Microsoft Holo Lens眼鏡觀察重要血管結構的位置，避免發(fā)生大出血。由于外周神經無法進行成像，因此神經走向的判斷，主要是依據重要的血管和骨性標志。在手術過程中定位目標病灶，引導確定手術位置、大小、角度等，良性腫瘤按照腫瘤邊界摘除腫瘤，惡性腫瘤按引導指示沿病灶外1.5 cm處進行切除，之后環(huán)形切除手術邊緣，病理確認切緣無瘤細胞(陰性)后完成手術。

1.3.4 評估指標 術前評估指標包括的溝通時間，患者滿意度及交流溝通后的焦慮程度，其中，焦慮程度采用狀態(tài)-特質焦慮問卷(State-Trait Anxiety Inventory，STAI)進行評定，分別計算S-AI和T-AI部分的分值，分數越高表示焦慮程度越高。手術指標包括患者的手術時間、術中出血量、術后并發(fā)癥發(fā)生情況。術后指標則為包括患者語言溝通能力、日常生活能力、預后情況[6-8]。其中語言溝通能力評分采用功能性言語溝通能力判定法，通過讓患者說話、寫字、畫畫、手勢、指圖等方式判斷其語言能力，共計 250 分，分數越高提示患者的日常生活交流與溝通能力越好；日常生活能力則通過日常生活活動能力量表(Activities of daily living，ADL)問卷進行衡量，得分越高表示日常生活能力越強；采用格拉斯哥預后評分評估患者恢復情況，分數越高提示康復效果越好。

1.4 統(tǒng)計學分析

2 結 果

2.1 基本情況

由表1可知，對照組男性11例，女性12例，平均年齡(49.17±11.05)歲；觀察組男性14例，女性9例，平均年齡(48.20±11.16)歲。兩組患者各基本信息無統(tǒng)計學差異(P>0.05)，提示可進行組間比較。通過對CT和MRI數據進行三維重建以及融合，標記圖和最終得到的效果圖分別如圖2、圖3病例所示。

表1 兩組患者基本信息比較

A：利用CT 數據進行骨骼三維重建；B：利用MRI 數據進行腫瘤及血管三維重建(紅色為頸動脈，藍色為頸內靜脈，紫色為腫瘤)；C：將CT和MRI 三維重建數據融合，構建多模態(tài)重建數據；D：數據導入HOLENS眼鏡，進行術中定位引導

A：CT與磁共振多模態(tài)三維重建；B:術中解剖頸外動脈；C：術中引導結扎頸外動脈(如圖箭頭所示)；D～F：術中引導摘除腫瘤，保護了頸內動脈及頸內靜脈(紅色為頸內動脈，藍色為頸內靜脈)

2.2 術前情況

與對照組相比，觀察組術前溝通時間和溝通后焦慮得分明顯少于對照組(P均<0.05)，而滿意度方面觀察組明顯好于對照組，如表2所示。

2.3 手術情況

由表3可知，觀察組相比對照組的平均手術時間更短，兩組手術時間分別為214.05 min、261.23 min，此外，兩組術中平均出血量分別為298.66 mL、336.51 mL(P<0.05)，觀察組患者術中出血量明顯更少，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。并發(fā)癥方面，對照組患者共有11例出現術后并發(fā)癥，而觀察組患者出現并發(fā)癥的人數為4人，組間有明顯統(tǒng)計學差異，具體各并發(fā)癥情況見下表(P<0.05)。

表3 兩組患者的手術情況比較

2.4 術后康復

如表4所示，觀察組患者的語言溝通能力得分(217.93vs.174.60)、日常生活能力得分(79.19vs.66.74)和格拉斯哥預后評分(3.91vs.2.96)均與對照組有明顯的差異(P<0.05)，提示觀察組患者康復效果更佳，預后明顯好于對照組患者。

表4 兩組患者的康復情況比較

3 討 論

該研究涉及了多種頜面部腫瘤，如圖3所示，該病例為側顱底神經鞘瘤，腫瘤大小約1.5 cm×2 cm×2 cm，術前通過對影像資料的三維可視化重建，進行了充分的術前分析和 HoloLens眼鏡下的虛擬手術(圖3)，手術參與者可直接近距離觀察到腫瘤與周邊重要結構的距離，設計更可靠的手術入路；術中操作時，在距離重要組織結構比較近的時候，可通過HoloLens眼鏡將隱藏在腫瘤背后的結構，如頸內動脈、頸內靜脈等直接呈現在眼前，從而幫助術者選擇更合適的切除方向，保護重要結構。

混合現實(MR)技術作為一種高科技模擬技術，與顱頜面外科學、醫(yī)學影像學、計算機輔助設計和制造、導航系統(tǒng)相互補充。它通過在現實場景呈現虛擬場景信息，實現現實世界、虛擬世界和用戶之間的深度交互和反饋，以增強用戶的真實體驗[9-10]。由于顱頜面腫瘤位置特殊，具有口腔頜面外科、神經外科、耳鼻咽喉頭頸外科交叉學科的特點，同時該區(qū)域神經血管較為豐富，因此頜面部手術治療難度較高，對于腫瘤的精準定位要求也更高。顱頜面手術成功與否很大程度上取決于制定的手術方案是否精確。如果僅憑傳統(tǒng)CT或MRI二維圖像信息，醫(yī)生需基于臨床經驗，通過想象才能得到立體病灶模型圖，這對于高精度的復雜顱頜面畸形手術是較大的限制，因此亟需更形象、更直觀的技術幫助精準定位。而對原始影像數據進行三維重建的MR技術使其成為了可能。在顱面頭頸領域中，它可將CT/MRI的影像資料融合，提供數字化的人體解剖學、生理學和病理學的三維可視化圖像，精準定位腫瘤、顱骨、顱底動靜脈血管、頜骨組織等，擴大醫(yī)生的視野范圍，提升他們對頜面深部組織的三維辨識能力，為頜面部手術提供更形象的參考依據，降低重大并發(fā)癥的發(fā)生風險，從而促進患者術后的康復[11-14]。在探討虛擬現實、增強現實，及混合現實技術在胸壁腫瘤切除及重建精確手術治療中的應用中，指出三種技術結合能更精確地切除腫瘤,并對胸壁后組織器官有更精準的了解，為三維打印材料置入提供了技術保障[15]。此外，MR技術在肝臟手術和腦腫瘤研究中也有所應用，結果提示它在術前規(guī)劃、術中引導、外科教育、醫(yī)患溝通等多個方面都逐漸展示出明顯優(yōu)勢和廣闊前景[15-16]。

本研究通過采用MR技術將虛擬的腫瘤周邊解剖結構顯象，通過眼鏡視窗操作，實現虛擬圖像和現實解剖部位的混合(如圖2C)，將疾病的真實情況反饋給醫(yī)生、患者和家屬，此外，它還能在術中將腫瘤及周邊組織的解剖結構完整呈現，從而幫助醫(yī)生減少術中并發(fā)癥的發(fā)生風險，進而幫助患者快速康復。研究結果提示，在術前通過將三維可視化的病變區(qū)域呈現在術者、患者及其家屬眼前，全面直觀地了解病變及其周圍解剖結構，讓患者及家屬參與術前計劃和分析，更加直觀了解病情、手術方案，明顯減少術前溝通時間，提升醫(yī)患溝通的效率，同時減少他們的焦慮情緒，增強治療的信心。而在術中通過使用Microsoft HoloLens眼鏡，將預先得到的三維可視化數據，全息影像圖投影到手術操作區(qū)域，從而完全透視到操作點背后的解剖結構，從而明顯縮短手術時間，減少術中出血量，為減少損傷神經血管等重要結構手術風險和術后并發(fā)癥風險打下了基礎。術后康復方面，觀察組共有4人出現術后并發(fā)癥，明顯少于對照組的11人，而患者的語言溝通能力得分、日常生活能力得分和格拉斯哥預后評分等有明顯的組間差異，提示MR技術的加持能明顯改善患者預后，促進患者快速恢復，與以往研究中的觀點或結果類似[17-19]。尹華強等[20]探討增強現實技術在口腔頜面部骨折手術中的初步應用，他們基于JSAR Tool Kit在網絡上開發(fā)增強現實的應用程序，結合自主設計的三維打印咬合板及咬合板上的人工標志物實現對上下頜骨三維增強顯示，術后評估了影像學及咬合情況、面部外形的恢復、患者主觀滿意度、手術時間等。結果顯示術后影像學檢查可見骨折復位良好，鈦板位置與術前規(guī)劃吻合，患者面部外形、咬合關系恢復良好，患者滿意度調查好，手術時間較基于傳統(tǒng)經驗的手術有所縮短，提示增強現實技術有利于輔助頜面外科手術。

總體而言，MR能較好地用于顱頜面手術術前制定手術計劃和術中引導。通過提供更加全面的影像信息、更加直觀的三維模型，方便醫(yī)患進行術前溝通，提高溝通效率，同時縮短手術時間，降低術后并發(fā)癥的發(fā)生風險，促進患者的康復，后續(xù)能在臨床進行推廣。