計算機輔助手術系統在小兒外科臨床中的應用及意義

陳勝男 何靜 王菲菲 王鳳嬌 楊霞 劉紅 夏楠 郝希偉 董蒨,

(青島大學附屬醫院,山東 青島 266003 1 小兒外科;2 數字醫學與計算機輔助手術重點實驗室)

Hisense計算機輔助手術系統(CAS)由胸肺模塊以及其他模塊兩個操作模塊組成,其彌補了傳統CT、MRI二維影像的不足,把傳統增強CT圖像導入系統,實現個體化的病灶與器官三維重建,可清晰立體顯示病灶大小、位置及周圍血管的空間毗鄰關系,了解血管走行及解剖變異,通過虛擬病灶切除,確定最佳手術邊界,制定相應的手術方案,以便盡可能多的保留剩余功能性組織［1-2］。本研究回顧性分析我院2016年3月—2022年10月采用Hisense CAS進行三維重建并實施個體化手術的患兒,探討該系統及三維重建技術在小兒外科疾病手術治療中的應用及意義。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2016年3月—2022年10月間于我院使用Hisense CAS行術前三維重建的患兒的臨床資料。患兒納入標準：①病灶位置與周圍組織、器官毗鄰關系復雜者;②病灶緊鄰主要血管,二維圖像無法準確評估手術可行性者;③病灶體積較大,二維圖像上與周圍組織、器官分界不清者。排除標準：①病灶體積小,與周圍組織界限清晰者;②依據傳統二維圖像可以進行術前評估者。

1.2 Hisense CAS的應用

1.2.1圖像三維重建、規劃手術方案設計及手術模擬 采用CT對病灶進行動脈期、延遲期及靜脈期增強掃描,掃描數據以DICOM格式文件輸出并刻盤存儲。使用影像儲存傳輸系統抓取患兒DICOM格式的增強CT影像數據,將數據加載至Hisense CAS后進行三維重建。三維重建大致分為以下幾類：①胸部疾病：使用圖像分割算法對患者的肺、支氣管、肺動脈、肺靜脈及病灶精準分割,通過系統提供的交互工具可實現局部分割結果的微調;重建后的圖像可清晰地辨別肺結節所在位置(包括肺葉、肺段、亞段)及結節大小,以及肺動脈和肺靜脈走行、肺部血管與結節的位置關系等。②腹部疾病：使用人工智能及圖像分割算法實現對患者腹腔臟器(肝、膽、胰、脾、腎)、血管及病灶的精準分割,分割結果通過透明掩膜方式附加在原始影像數據上對比驗證,并可進行局部微調;重建后可直觀地觀察病灶大小、所在位置及其與周圍血管和臟器的關系;模擬切除后還可計算出剩余正常組織體積,從而判斷手術可行性。③盆腔疾病：圖像分割算法亦可實現對患兒骨盆及其內卵巢、輸卵管、子宮、膀胱等臟器及血管和病灶的精準分割;分割結果結合像素間距、層間距等影像學掃描參數,確定血管生成范圍,通過識別敏感度進行調整,將病灶的二維影像學資料重建為三維可視化模型。

1.2.2依據Hisense CAS三維重建圖像評估患兒治療方案 由至少2位主治及以上級別醫生,依據三維圖像及模擬手術切除后正常組織剩余體積評估患兒能否行一期手術,可行一期手術患兒進一步規劃手術方案。如遇神經母細胞瘤、肝母細胞瘤和腎母細胞瘤等化療敏感腫瘤且不宜行一期手術的患兒,則化療后再次評估。同時收集患兒性別、疾病類型、手術方式、三維重建圖像資料及術后隨訪結果。

2 結 果

2.1 Hisense CAS在胸部疾病外科手術治療中的應用

323例患兒中,病灶位于胸部者28例,其中男、女各14例。縱隔腫瘤9例,神經母細胞瘤8例,畸胎瘤7例,間葉腫瘤4例。通過Hisense CAS術前研判11例行開放手術,17例行胸腔鏡手術。25例患兒可行一期手術,包括神經母細胞瘤5例［模擬切除腫瘤體積59.23(33.62,69.25)mm3］,畸胎瘤7例［模擬切除腫瘤體積61.34(49.46,78.62)mm3］,胸腔間葉腫瘤4例［模擬切除腫瘤體積48.47(31.32,52.86)mm3］,縱隔腫瘤9例［模擬切除腫瘤體積為64.62(51.27,69.63)mm3］。3例神經母細胞瘤患兒需化療后再評估手術可行性。28例患兒中6例失訪,22例患兒生存良好,無明顯術后并發癥。

其中1例胸腔腫瘤患兒,腫瘤位于左肺上葉尖后段,術中所見與術前三維重建圖像一致,腫瘤與所在肺段的肺動脈緊密相連,依據術前規劃的手術方案,對腫瘤進行精準切除,未損傷毗鄰血管及組織,患兒隨訪至今預后良好。見圖1、視頻1(見文后二維碼)。

A：胸腔腫瘤二維圖像,B：胸腔腫瘤三維重建圖像,C：胸腔腫瘤模擬切除圖像;a：胸腔腫瘤組織,b：模擬切除腫瘤組織

2.2 Hisense CAS在腹部疾病外科手術治療中的應用

323例患兒中,病灶位于腹部者282例,其中男125例,女157例。先天性膽總管擴張87例［模擬切除病灶體積194.25(185.32,202.92)mm3］,肝母細胞瘤62例［模擬切除腫瘤體積為52.54(48.34,57.52)mm3］,神經母細胞瘤36例［模擬切除腫瘤體積47.32(43.62,52.85)mm3］,畸胎瘤23例［模擬切除腫瘤體積43.65(38.36,47.68)mm3］,腹膜后腫物20例［模擬切除腫瘤體積為36.23(33.42,39.28)mm3］,腎母細胞瘤16例［模擬切除腫瘤體積36.45(33.68,39.84)mm3］,腎上腺腫物10例［模擬切除病灶體積21.26(18.38,24.26)mm3］,腎積水9例［模擬切除病灶體積24.63(15.94,27.62)mm3］,胰腺腫物共6例［模擬切除病灶體積43.16(39.75,46.34)mm3］,腎臟腫物共5例［模擬切除病灶體積33.67(30.14,35.36)mm3］,腹部間葉腫瘤為4例［模擬切除腫瘤體積31.34(29.68,33.86)mm3］,肝臟良性腫瘤4例［模擬切除腫瘤體積為45.46(42.16,48.58)mm3］。據術前Hisense CAS圖像,248例患兒可行一期手術,34例患兒需化療后再次評估手術可行性。282例患兒中,有132例行開放手術,139例行腹腔鏡手術,8例腹腔鏡手術中轉開放手術,3例行達芬奇機器人手術。282例患兒中28例失訪,1例腎母細胞瘤患兒術后出現腸梗阻,二次手術后患兒恢復良好,其余253例患兒無明顯術后并發癥,預后良好。

其中1例胰母細胞瘤患兒,術前評估后擬行胰體尾及腫瘤切除+脾切除自體移植+右肝轉移瘤切除術。術中所見與術前三維重建基本一致,腫瘤與脾臟、胃、橫結腸、空腸、大網膜粘連緊密,脾血管被腫瘤包繞,原位腫瘤及轉移瘤完整切除,手術順利。患兒術后隨訪至今預后良好。見圖2、視頻2(見文后二維碼)。

A：為胰母細胞瘤二維圖像,B：為三維重建圖像,C為模擬切除圖像;a：腫瘤,b：右肝轉移灶,c：模擬切除腫瘤,d：門靜脈

2.3 Hisense CAS在盆腔疾病外科手術治療中的應用

所有患兒中病灶位于盆腔者13例,男7例,女6例。其中卵巢腫瘤5例［模擬切除腫瘤體積48.64(39.25,53.62)mm3］,畸胎瘤3例［模擬切除腫瘤體積49.52(41.27,57.82)mm3］,盆腔間葉腫瘤為3例［模擬切除腫瘤體積37.87(28.92,42.69)mm3］,神經母細胞瘤2例(模擬切除腫瘤體積62.34 mm3)。

通過Hisense CAS術前研判,13例患兒均可行一期手術切除。最終行開放手術切除病灶者5例,行腔鏡手術者8例。13例患兒中2例失訪,其余11例患兒無明顯術后并發癥,生存良好。

其中1例患兒為雙側卵巢畸胎瘤,腫瘤位于雙側卵巢,由于瘤體巨大,已超出盆腔范圍,與膀胱、腎臟及脾臟毗鄰,與腹主動脈及腸系膜上靜脈位置關系緊密。術前依據三維重建圖像進行了全面的評估,按照術前規劃方案手術成功實施,患兒術后恢復良好,無術后并發癥發生。見圖3、視頻3(見文后二維碼)。

A：為雙側卵巢畸胎瘤二維圖像;B：為三維重建圖像;C為模擬切除圖像;a：腫瘤,b：模擬切除腫瘤,c：腎臟,d：腹主動脈,e：腸系膜上靜脈

3 討 論

影像學早期評估疾病病灶的方法主要有彩色超聲、CT及MRI等,這些影像均為二維圖像。近年來,高分辨CT三維重建及三維打印技術逐漸在臨床上得到廣泛應用。Hisense CAS是在國家十二五支撐計劃課題支持下,以增強CT影像為基礎進行深度數據挖掘,精確還原胸、腹、盆腔內器官及周圍脈管等情況的手術系統,是輔助醫生術前判斷手術可行性、術中參考及術后評估的精準外科手術解決方案［1-2］。三維重建后的影像圖像清晰,能夠精確還原腫瘤與內臟、血管等結構的三維立體關系,了解血管走行及解剖變異。通過病灶的虛擬切除,可以在術前確定最佳的手術邊界并制定最合理的手術方案,以確保最大化保留功能性組織,促進患者更快恢復［3-4］。此技術在兒童［5-7］及成人［8-10］外科手術中均應用,使各類疾病的術前診斷及手術規劃較之前更為直觀科學。

本研究中8例胸部神經母細胞瘤患兒分別根據二維CT檢查圖像和三維重建圖像判斷是否可行一期切除,其中2例患兒因腫瘤較大,增強CT結果顯示腫瘤緊鄰胸主動脈,但三維重建結果顯示腫瘤并未完全侵犯胸主動脈或其他重要血管,具有手術可行性［11］。本團隊之前研究結果顯示,瘤體距離主要血管<1 cm也可積極行根治術治療［12］。現代醫學發展使得外科手術迎來了從依靠二維影像規劃手術到三維立體研判、精準進行術前模擬及術中導航的新時代［13-15］。

近30年來,盡管兒童惡性腫瘤的預后已得到極大改善,但腫瘤仍是除意外傷害以外導致兒童死亡的第2大常見原因［16］。腫瘤是否突出包膜,鄰近血管、器官和組織是否被浸潤,有無局部及區域性淋巴結腫大等問題在三維重建技術出現以前大多只能在術中明確［17］。本研究中,多例病例因瘤體巨大導致腫瘤與周圍組織緊密相連或包繞重要血管,術前精準判斷腫瘤與周圍組織及重要血管的位置關系可以為術中血管剝離提供保障,并確保腫瘤的完整切除。國外的相關研究與本研究的結論一致,CHAUSSY等［18］研究顯示,三維重建圖像可幫助小兒外科醫生進行精準術前規劃,但使用3D Slicer軟件進行自動或半自動圖像分割,操作較復雜,因此難以推廣使用。GRAY等［19］的研究亦證實,基于三維重建圖像進行術前規劃可以在復雜的兒科病例中安全精確地進行顱面重建,同時減少了手術時間。手術規劃和術前模擬是三維圖像的重要優勢,基于三維圖像和模型的手術規劃已經徹底改變了外科實踐,越來越多的醫學專業學科正在將這些新興技術資源納入常規實踐中［20-22］。XIU等［23］先前的研究還提出,應用Hisense CAS進行三維重建,可自動、準確地計算出兒童肝血管瘤病例的腫瘤體積、肝臟體積和腫瘤肝臟體積比,且在治療早期階段,傳統二維圖像上未觀察到腫瘤直徑顯著變化,而三維圖像甚至可觀察到腫瘤組織輕微增加的情況。通過計算機輔助手術系統三維重建圖像進行術前評估及手術規劃,能夠使得腫瘤切除更加精準,減少組織損傷,患兒整體預后較好。本研究中323例患兒術后有287例獲得隨訪,36例失訪,隨訪時間為9(2,16)個月。286例患兒均無明顯術后并發癥,生存良好,僅1例腎母細胞瘤患兒術后出現腸梗阻,二次手術后患兒恢復良好。

另外本研究存在一定局限性。首先,本研究使用回顧性研究的方法,數據獲取的機構以及方式相對較為單一;其次,本研究隨訪時間較短,未能從遠期療效方面評估三維重建技術在小兒外科手術中的優勢;最后,本研究行手術治療的患兒解剖結構存在明顯個體差異,較難分辨解剖結構差異對研究結果產生的影響。

綜上所述,Hisense CAS三維重建技術的應用,可在術前為醫生提供包括病灶與周圍組織毗鄰關系、重要血管變異等有效信息,使得手術可在相對精準條件下施行。Hisense CAS在術前規劃、術中操作中具有重要的輔助作用,具有一定臨床應用價值。

視頻1

倫理批準和知情同意：本研究涉及的所有試驗均已通過青島大學附屬醫院醫學倫理委員會的審核批準(文件號QYFYWZLL27783)。所有試驗過程均遵照《赫爾辛基宣言》的條例進行。受試對象或其親屬已經簽署知情同意書。

作者聲明：陳勝男、何靜、王菲菲、王鳳嬌、楊霞、劉紅及董蒨參與了研究設計;陳勝男、王菲菲、王鳳嬌、夏楠、郝希偉及董蒨參與了論文的寫作和修改。所有作者均閱讀并同意發表該論文。所有作者均聲明不存在利益沖突。