混合现实技术用于机器人辅助腹腔镜肾部分切除术的研究进展

刘旺敏，张墨

肾细胞癌是常见的泌尿系统恶性肿瘤，约占成人恶性肿瘤的2%［1］。近年我国的肾细胞癌发病率和病死率分别以每年7%和2%的速度增长［2-3］。现阶段，保留肾单位手术（nephron sparing surgery，NSS）是早期肾癌（T1期）的首选治疗方式，其疗效与根治性肾切除术（radial nephrectomy，RN）相当［4］。随着微创技术的发展与机器人手术的日趋成熟，腹腔镜肾部分切除术（laparoscopic partial nephrectomy，LPN）和机器人辅助腹腔镜肾部分切除术（robotassisted partial nephrectomy，RAPN）在临床中的应用越来越普遍。然而，对于位置特殊的完全内生型肿瘤及肾门部肿瘤，因其定位困难、周围毗邻解剖结构复杂，出血、尿瘘和肾功能不全等围手术期并发症发生率仍较高［5］。如何实现肿瘤的精准切除，同时最大限度保护肾功能是泌尿外科医生面临的严峻考验。近年来，混合现实技术（mixed reality，MR）作为一种新兴的数字全息影像技术，已逐步应用于泌尿外科各种疾病的诊疗过程中，提高了手术的准确性和安全性［6-8］。本文现就MR在机器人辅助腹腔镜肾部分切除术中的应用综述如下。

1 MR及其在医学领域应用中的概况

MR 是继虚拟现实和增强现实之后出现的全新一代数字化全息影像技术［7］。其通过计算机和可视化技术模拟生成虚拟三维影像，然后将虚拟影像叠加在现实物体上，并使用辅助显示装置，可以达到逼真的叠加效果［6］。MR 技术在真实世界和虚拟世界之间建立一个交互式反馈循环，从而实现了用户与真实场景、虚拟场景之间的沉浸式交互［9］。现阶段，MR 已成为医学研究领域的热点之一。术前将患者的CT、MRI、SPECT/CT 或PET-MRI 等影像资料和数据输入MR 系统内，外科医生即可在现实环境中模拟手术操作，制定切实可行、安全有效、合理优化的手术方案。此外，手术过程中术者可根据MR 系统提示的个体化影像实施术中导航引领的精确操作，降低手术并发症等相关风险事件的发生率［10］。近年来，MR 在泌尿外科、创伤骨科以及神经外科的应用日益增多，在医学教育、手术模拟、术前规划及术中导航等诸多方面展现出明显的优势和较大的潜力［7，10-11］。在肾部分切除的微创手术领域，国内外已有学者利用MR技术取得了诸多进展，见表1［7-8，12-16］。

2 MR在RAPN中的应用

2.1 术前医患交流 医患之间医疗信息的不对称是影响术前沟通的主要原因之一。通过佩戴MR设备，患者可清晰观看三维肾脏模型，有助于外科医生向患者介绍病情及进一步的治疗方案，提高患者及亲属对手术过程、手术必要性及术中风险的理解程度。Bernhard等［17］研究表明，将3D肾脏模型应用于肾部分切除患者的术前谈话，可以有效促进患者对肾脏病变特征及手术的理解。

2.2 手术规划 目前常规的影像学检查（如CT、MRI等）提供的大多为二维图像，外科医生须在大脑中转换成三维结构，这很大程度上依赖于外科医生的空间想象能力、对解剖结构和变异的认识程度，对任何有价值信息的忽略均可能导致错误发生［18］。而基于患者术前CT重建生成的全息3D模型可清晰显示肾脏和肿瘤的三维结构，从而实现影像资料到临床应用的无缝衔接。模型可提供着色、拆分、透明化、旋转、缩放和测量分析等功能，其中肾肿瘤、正常肾实质、动脉、静脉和集合系统用不同的颜色渲染［7］，帮助外科医生掌握肾脏肿瘤及其与周围组织的关系（图1）。此外，还可以找出供应肿瘤的分支动脉，识别变异动脉，为选择性肾动脉分支阻断提供有效信息［19］。MR 模型亦有助于医生掌握内生型肿瘤在肾表面的投影以及肾肿瘤的形状和深度，便于肿瘤的定位和手术切除［20］。Wellens等［21］研究表明，三维肾脏模型显示肾肿瘤、动脉、静脉和集合系统的能力显著优于传统影像，在帮助外科医师术前决策方面起到积极作用。Yoshida等［6］利用MR为肾肿瘤患者进行三维重建，并在此基础上制定详细的手术方案。因此，MR有利于医生术前选择合理的手术入路，制定血管阻断、肿瘤切除及缝合等方案，实现精准个性化治疗。

Fig.1 The application of MR in displaying tumor and adjacent structures图1 应用MR技术显示肿瘤及毗邻组织

2.3 术中导航 将MR 模型导入机器人手术系统，构建MR 模型融合平台，可通过MR 图像旋转、缩放等功能，随时调整重建影像的方位和大小，与实际手术影像进行匹配，达到术中实时导航（图2）［22］。在进行一些重要的外科操作前，利用模型检查和核对，可以减轻外科医生的压力并提高手术的安全性和准确性［23］。根据血管模型，外科医生可以精准定位肾脏血管系统及肿瘤的供应血管，从而快速准确地钳夹目标动脉，甚至实现高选择性动脉阻断［15，24］。在肾部分切除术中，使用超声识别肿瘤位置是一种常见的方法，可以为手术区域提供大致的范围，但超声学习曲线较长，由于术中超声探头方向、角度不断变化，医生难以较准确地了解肿瘤在肾脏表面的投影边界；而且超声图像是二维信息，术中依据超声图像实现肿瘤精准切除仍有一定困难［25］。而MR系统通过透明度的调整，无须借助超声即可“透视”深部的病变，利用测量分析功能，根据肾脏、肿瘤的尺寸和肾脏解剖标志，快速准确地定位肿瘤位置，掌握肿瘤与血管、集合系统等周围重要结构的距离和解剖关系，有利于更精准、完整地切除肿瘤，并减少周围组织的损伤。赵子臣等［16］验证了术中MR融合影像与肉眼实际影像以及超声影像的一致性。对于复杂性肿瘤，由于毗邻主干血管及集合系统，传统手术方式易造成周围器官损伤，术后易出现出血、尿瘘等并发症［26］。三维模型引导的RAPN可以有效减少并发症的发生，并提高手术的成功率［22，27］。此外，根据MR模型术中实时导航，有助于医生理解肿瘤与集合系统、肾门部血管的关系，辅以机器人辅助器械的精准度和灵活性，术者可精细游离肾门部组织，在保证肿瘤精准切除的同时防止损伤集合系统和周围血管［28］。

Tab.1 The literature summary of the application of MR in RAPN and LPN surgery表1 MR技术在RAPN和LPN手术中的应用文献汇总

Fig.2 The overlap between intraoperative image and holographic image in robot-assisted partial nephrectomy图2 机器人辅助腹腔镜肾部分切除术中术野图像与全息影像进行融合

2.4 缩短手术时间和保护肾功能 肾动脉阻断时间与患者术后肾功能恢复密切相关。与传统技术相比，MR 辅助下的肾部分切除术热缺血时间更短，术中失血量更少，并且术后疼痛可以得到缓解［7，29］。杨阳等［12］研究指出，将MR 应用于复杂性肾肿瘤患者的治疗，有利于制定手术方案，并缩短手术时间和热缺血时间。在血管阻断方面，三维影像下引导的高选择性夹闭肾动脉分支，可避免大部分正常肾组织的热缺血损伤，其早期肾功能恢复更好［27，30］。此外，Kobayashi等［31］发现，三维模型手术导航有助于保留更多的肾实质，肾脏实质体积保存率更高。MR可以帮助外科医生掌握患者脏器内部的信息，引导手术准确切除，避免盲目扩大切除，在缩短热缺血时间的同时保留更多的肾单位，改善患者的肾功能。

2.5 手术模拟培训 MR技术可以为医师提供一个逼真的三维可视化交互式平台，便于住院医师学习肾脏复杂的解剖结构，使用MR手术模拟器，住院医师无需走进手术室便有机会体验复杂的手术，降低了外科医师想象肿瘤复杂空间结构的困难程度，并显著缩短了学习曲线［32］。另外，MR 模拟器可提高学习者在执行操作时的信心［33］。肾部分切除手术难度大、风险高，给年轻医师培训带来了较大的困难，而MR 突破了传统教学的局限，可实现基础理论与临床实际病例、手术操作的有机结合［34］。Condino等［35］探索了MR用于手术模拟的效果，通过MR术前模拟训练系统可提高外科医生手术的准确性。通过反复互动和操作，医师可以在不对患者造成伤害的情况下，以一种更加自然和真实的方式，提高手术技能和对手术的熟悉程度。

3 MR的前景展望与面临挑战

近年来，随着MR 与云平台等数字化技术的飞速发展与完善，临床诊疗模式已发生改变。尤其在5G 网络时代，MR 与云技术的有机结合为医疗远程协作提供了新的平台，使得医学信息突破时空限制，不同地域的医学专家可同时对同一患者的诊治进行交流、互动，实现远程术前规划和术中指导［36］。朱捷等［37］利用MR构建的机器人手术融合平台用于远程指导腹膜后肿瘤的切除，手术顺利完成，未中转开放手术，成功实现了全球范围内首例MR 技术远程协作的机器人微创手术。但临床医生也应该看到MR的临床推广仍面临着诸多问题和挑战：（1）MR 模型需直接叠加在肾脏上，而肾脏会因肌松药物、呼吸运动、患者体位以及术中器械的相互作用发生移位。（2）MR 难以精确重建肿瘤周围累及的软组织，为实现肿瘤阴性切缘，有经验的手术医师依然是手术成功的关键。（3）不同研究中心MR技术设备的异质性问题尚有待规范。（4）3D重建用到的一些扫描序列、扫描数据的质量直接影响模型重建的效果。（5）MR技术研发投入高，难以在临床广泛普及。（6）现阶段MR 技术在肾部分切除术中的应用研究大多数为回顾性分析，且样本量较小，尚缺乏高等级的临床证据。因此，其具体作用仍有待于大规模、多中心的前瞻性随机对照研究以进一步证明。

4 小结

综上所述，MR应用于机器人辅助腹腔镜肾部分切除术，能够清晰显示肾脏、肿瘤、肾内外血管和集合系统的三维结构及空间关系，在促进术前医患交流、规划手术方案、快速定位肿瘤、选择性阻断目标动脉、精准切除肿瘤、保护肾功能、缩短手术时间和减少手术并发症等方面具有重要临床价值和较大潜力。MR与导航技术、机器人技术的整合能够使优势最大化，MR技术将推动泌尿外科领域尤其肾脏部分切除手术向更微创、更精准的方向发展。