混合现实技术在肿瘤型假体置换手术中的应用研究

张芷豪， 商冠宁

骨肿瘤发病率较低[1]，原发性恶性骨肿瘤占所有恶性肿瘤的比例不到0.2%。目前新辅助化疗-手术-辅助化疗的治疗模式和保肢手术的开展，约90%的患者可以保肢[2]，而人工假体置换重建在保肢手术中发挥重要的作用。通过混合现实(mixed reality，MR)设备能够将现实世界与虚拟环境实现实时交互，在骨科学领域中，MR技术主要应用于临床教学及培训、医患沟通、术前规划、手术模拟操作、术中导航、术后个性化康复等方面[3-5]。在肿瘤型人工假体置换手术中，通过MR技术可重建肿瘤及邻近关节三维模型，手术医生可以直观地感受肿瘤情况及周围重要血管神经走行，并制定最佳手术方案[6]。本次研究主要分析本中心应用MR技术辅助肿瘤型假体置换手术的临床疗效，探讨MR技术在肿瘤型假体置换手术中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准 纳入标准：①2018年8月至2020年9月于中国医科大学附属盛京医院骨与软组织肿瘤科收治的肢体骨肿瘤行肿瘤型假体置换手术患者；②均知情同意并自愿参与本项研究。排除标准：①存在严重心、脑、肝、肾等器官疾病，不能耐受手术者；②影像学资料不完整或失访；③晚期肿瘤患者合并重要器官转移，预期生存时间<6个月。

1.2 一般资料 回顾性分析本中心收治的符合选择标准的25例肢体骨肿瘤行肿瘤型假体置换手术患者的临床资料，其中男16例，女9例，年龄12～76(34.4±20.6)岁。恶性肿瘤21例，良性肿瘤4例；肿瘤位于胫骨近端8例、肱骨近端4例、股骨远端13例(表1)。按是否应用MR技术辅助手术分为混合现实组11例和对照组14例，比较两组的手术时间、术中失血量、术后引流量、患者满意度及术后3个月MSTS评分。两组患者均由同一术者完成，两组病例年龄、性别差异均无统计学意义(P=0.311；P=0.677)。

表1 混合现实组与对照组患者的基本信息及试验结果

1.3 图像收集、数据获取与全息可视化三维建模 所有患者术前行肿瘤部位增强三维重建CT扫描，采用东芝Aquilion ONE 640层螺旋CT扫描仪(日本)，扫描参数：管电压120 kV，管电流200～230 mA，扫描准直器3 mm，螺距自动匹配，矩阵512×512，图像重建层厚1 mm。收集患者增强CT的原始DICOM 数据，将其导入到三维医学影像工作站进行MR模型的制作，以v3 d格式进行输出，通过混合现实Holenss眼镜即可投射出全息影像模型。

1.4 MR技术术前应用 应用MR设备将复杂的病变情况三维立体地呈现在手术团队面前，可进行多切面的观察，加深对术区解剖结构的空间理解，便于进行手术方案的设计。同样，患者及家属佩戴MR眼镜，也能直观立体地看到病变情况，使患者及家属能够对病情的具体情况及手术方案有更深刻的了解，减轻患者及家属的心理压力，提高患者对于治疗的配合度与依从性。

1.5 手术方式 手术在全麻下进行，按照术前规划所设计的切口入路，术者佩戴MR眼镜，逐层切开皮肤、皮下、深筋膜及肌肉组织，充分暴露病变区域，将3D影像投射至手术区，骨性标志重叠，调整视图角度显示肿瘤，消除掉影响观察的皮肤肌肉，保留肿瘤及周围重要血管神经，直观了解肿瘤的大小、空间位置，保护血管神经，根据预定截骨平面确定截骨位置。在合适的肿瘤外科边界切除肿瘤后，扩大髓腔，填入骨水泥，置入型号合适的肿瘤型人工假体，贴合满意，假体长度适宜，力线良好，检查无活动性出血，清理冲洗术区，留置引流管，逐层缝合手术切口，无菌辅料覆盖切口，弹力绷带加压包扎。

1.6 术后随访 术后2年内每3个月复查1次，术后2～5年每半年复查1次，术后5年每1年复查1次。恶性骨肿瘤患者需复查局部查体、局部DR、局部平扫CT、肺CT；良性/交界性骨肿瘤患者需复查局部查体、局部DR、局部平扫CT。

1.7 统计学方法 采用SPSS 20.0统计软件进行数据分析：计量资料用均数±标准差或中位数(P25，P75)描述数据，混合现实组与对照组比较采用独立样本t检验(资料满足正态分布)或秩和检验(资料不满足正态分布)；计数资料比较采用fisher精确检验(总例数n=25<40)，等级资料比较采用秩和检验。以P<0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 临床疗效 25例患者全部顺利完成手术，完整切除肿瘤组织，无血管神经副损伤。25例患者均获得定期随访，随访时间4～26(13.9±6.6)个月。两组病例手术时间差异无统计学意义(P>0.05)；混合现实组病例术中失血量为200～550 ml，对照组病例术中失血量为300～700 ml，两组比较差异有统计学意义(P=0.033)；混合现实组患者术后引流量为376～1 390 ml，对照组患者术后引流量为547～1 930 ml，两组比较差异有统计学意义(P=0.038)见表1；混合现实组病例术后3个月MSTS评分为70.0%～93.3%(81.42%±7.16%)，对照组病例术后3个月MSTS评分为66.7%～86.7%(76.44%±6.59%)，两组比较差异有统计学意义(P=0.041)，见表2。患者满意度两组比较差异有统计学意义(z=-2.217,P=0.025)。

表2 混合现实组与对照组结果统计分析

2.2 典型病例 病例1：患者男性，27岁，右股骨远端骨巨细胞瘤合并病理性骨折，依据术前影像制作MR模型后，应用于医患沟通、制定手术计划、模拟手术操作、术中精确导航、辅助截骨等操作(见图1～图6)。手术时间160 min，术中失血400 ml，术后引流量850 ml，腘血管无损伤，患者恢复良好，MSTS评分93.3%，患者满意度为满意。

图1 典型病例1术前影像

图2 典型病例1混合现实技术应用于医患沟通

图3 典型病例1混合现实技术应用于临床教学

图4 典型病例1混合现实技术在术中导航及定位点技术的应用

图5 典型病例1术后标本

图6 典型病例1术后影像

病例2：患者女性，58岁，左肱骨近端转移癌，依据术前影像制作混合现实模型。手术时间210 min，术中失血450 ml，术后引流量554 ml，肱血管、头静脉无损伤，患者恢复良好，MSTS评分73.3%，患者满意度为一般。术前规划：术后定位及术后影像等见图7～图11。

图7 典型病例2术前影像

图8 典型病例2混合现实技术应用于医患沟通

图9 典型病例2混合现实技术应用于术前规划

图10 典型病例2混合现实技术辅助术中精准定位

图11 典型病例2术后影像

3 讨论

3.1 混合现实相关技术在临床中的应用现状 目前国内外基于MR技术的医学研究逐渐增多，MR技术在医学上的应用也日益广泛[7-9]。MR技术为用户提供数字内容，并且增加到真实空间中，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，利用全息影像、实时交互等技术对现实世界进行重塑，从而使用户体验感受更加真实[10]。MR系统通常具备以下主要特点：①现实与虚拟世界的深度拟合；②三维虚拟模型与真实世界的精准匹配；③环境与使用者的实时交互[11]。石小强等[12]以参加专科医师培训的学员为研究对象，认为MR技术在腹膜后肿瘤手术临床教学中有助于提高教学质量，并激发专科医师的学习兴趣，提升学员对解剖知识的空间理解力。Javaux等[13]为微创胎儿激光手术开发了一种MR模拟外科训练器，用于训练以提高医生的手术技能。马永富等[14]利用MR技术辅助术前精准定位肺小结节，并成功对其进行精准切除，成功完成左肺上叶切除术1例。Gregory等[15]在MR技术指导下行反肩关节置换手术并进行网络直播，在不降低手术安全性的前提下，可以为外科医生和患者提供更好的治疗效果。窦超超等[16]在股骨粗隆间骨折的患者应用混合现实技术进行骨折部位的三维模型建立，使患者更加直观地感受骨折的情况，从而改善医患沟通困难的交流模式。邱恩铎等[17]应用MR技术进行骶骨肿瘤切除重建手术，表明在手术时间、切口长度和术中出血量方面均优于传统手术方式。

3.2 肿瘤型假体置换术的应用现状 骨肿瘤发病率较低，发病原因复杂，主要发生在股骨远端、胫骨近端、股骨近端及肱骨近端[18]。骨肉瘤是儿童和青少年期最常见的骨原发性恶性肿瘤[19]。对于骨肿瘤手术治疗，需要考虑肿瘤的各个方面，包括肿瘤的生长方式、是否具有侵袭性、病变累及范围、对运动系统功能是否受到影响等[20]。郭卫[21]认为保肢手术的主要目的是对原发肿瘤进行合理的局部控制，在保证肿瘤广泛切除的基本原则下，能够保留肢体良好的功能。在保证手术切缘阴性的基础上，保肢手术治疗过程中仍然会面临肿瘤切除后大面积骨缺损的修补与重建等难题[22]。肿瘤型人工假体置换手术的出现大大提高了肢体长骨肿瘤的保肢率与生存率，相比于其他重建方法，人工假体置换降低了机体排斥反应、骨不连、骨关节炎等不良后果，在早期即可以提供关节稳定功能和满意的外观，而且从患者的心理方面考虑也更易于接受[23]。

3.3 MR技术在肿瘤型假体置换手术中的应用 传统四肢骨肿瘤确定骨肿瘤切除边界是依据术前CT和MRI 等影像资料，而实际操作中会存在某些干扰因素，比如术中患者变换体位或软组织遮挡等，导致实际截骨平面与术前影像测量的截骨平面存在一定误差[24]。而MR技术可以将术前计划好的截骨长度通过全息三维可视化图像投射到患者真实解剖位置并完全融合，术者可全面地观察局部毗邻的神经、血管等重要解剖结构的三维空间关系，对手术区解剖的认识从传统的二维图像过渡到三维立体全息影像中，方便制定最佳手术方案[25-26]；Jiang 等[27]在混合现实模拟手术室中，在3D打印模型基础上对基于MR技术的血管定位系统的定位精度进行测试，证明MR技术可有效帮助外科医生完成术前规划。根据医疗投诉数据，大多数医患纠纷是由于沟通不充分引起的，而通过MR模型，患者及其家属可以全方位地看到病变情况，对手术方案和手术风险能够有更深入的了解；Wu等[28]通过混合现实系统向患者及家属全方位展示具体颈椎骨折的位置与形态，使患者对手术风险和手术方案的细节有了更深入的了解，使医患沟通变得顺畅。术中在MR技术导航下识别解剖定位，用不同颜色对骨骼、肿瘤组织以及肿瘤周围解剖结构进行标识，从而更加准确、直观地识别术野、辨识肿瘤边界；Lei等[29]在MR技术结合3D打印技术指导下成功完成1例复杂全髋关节置换术，将配准后的虚拟图像与人体相结合，可以实时观察重要解剖结构的位置，避免损伤重要血管神经的损伤，提高手术的安全性。本研究应用MR技术辅助肿瘤型人工假体置换手术，混合现实组在术中失血量、术后引流量、患者满意度及术后3个月MSTS评分方面优于对照组；在手术时间上与对照组差异无统计学意义。

综上所述，MR技术在医学可视化中应用可以方便医师多角度观察与分析，避免因视野不良而导致副损伤，能够有效减少肿瘤型假体置换手术的失血量及术后引流量，在一定程度上减少手术的创伤、加速术后康复。术后将肿瘤标本与MR模型进行对比，评估骨肿瘤实际切除范围是否符合术前设计方案预期，并且在指导恶性肿瘤患者术后是否需要辅助放疗或化疗的选择上有一定指导意义，也能够使医生与患者之间更好地交流，提高患者满意度，有效避免医患潜在矛盾的发生。

本研究的局限之处在于骨肿瘤发病率较低，需行肿瘤型假体置换手术量较小，导致本研究样本量较小，可能导致统计学分析有一定误差；术中失血量的记录难以精确，部分隐性失血可能无法准确计算，对实验结果可能产生小幅度影响。