“增强现实”辅助下精准胸腔镜下肺小结节切除技术早期研究

【作 者】 周阳，顾伟，彭明政，成兴华

上海市胸科医院/上海交通大学医学院附属胸科医院，上海市，200030

0 引言

肺癌是全球发病率最高的恶性肿瘤之一，在中国，肺癌已成为发病率和病死率最高的恶性肿瘤[1]。随着高分辨率薄层计算机断层扫描（computed tomography,CT）面世，孤立性肺结节（solitary pulmonary nodule,SPN）的检出率越来越高，这些肺结节在CT上多表现为磨玻璃影（ground glass opacity,GGO），其中可伴有或没有实性部分[2-4]，往往须进行以亚肺叶切除为主的诊断或治疗性手术[5-7]。因此对于直径小于1 cm的 SPN，术前精确定位结节变得至关重要。随着胸腔镜手术（video assisted thoracic surgery,VATS）的普及，在术前局麻下在CT引导下使用hook-wire定位针穿刺定位已成为最常用的术前定位方法。这种方法可以准确定位大多数肺结节，但肋骨或肩胛骨后面或大血管附近的肺结节除外。在多个CT引导下进行hook-wire定位存在移位或脱钩、严重气胸和空气栓塞的风险[8-9]。同时，由于不使用全身麻醉，也会给患者带来巨大的痛苦。

数字化、微创、人工智能是现代外科技术发展的新方向。近年来，在生物医学和外科领域涌现了许多涉及增强现实（augmented reality,AR）技术的创新研究和临床应用，被视为医学与工业的跨学科融合[10-12]。AR是一种创新技术，通过在手术过程中将图像、视频或计算机生成的模型与患者解剖结构进行融合，将虚拟场景叠加到真实环境中，可直观显示器官或病灶的解剖结构，显著提高手术效率。本研究旨在通过动物实验，初步探索利用AR技术辅助肺结节穿刺定位的安全性及可行性研究。

1 目的

利用混合现实技术创造出全新的数字全息影像，可以确保医生和患者之间更顺畅的沟通，也可以提高手术的精确度。虚拟3D模型可以帮助外科医生更好地了解病灶的空间位置，从而规划手术路径和切除范围，实现个性化、定制化的手术方案，符合精准手术的定义。因此，AR技术提高了手术成功率，有效减少了手术时间。

全息影像技术在医学各领域正变成现实，但目前增强现实在胸外科手术中的应用尚鲜见报道。因此，对三甲专科医院而言，如能率先利用增强现实技术，通过虚拟肺影像引导穿刺定位，理论上可以解决目前肺结节定位技术中的主要问题。在这项研究中，首次采用AR用于在猪模型的亚肺叶切除术中协助定位SPN，以评估该技术的安全性和有效性。

2 材料和方法

2.1 AR平台和建模

本实验通过CT扫描图像3D虚拟肺建模，为准确校准3D打印模型或实验猪的虚拟结构与实物精准匹配，使用Landmark Transform匹配算法，为今后使用Microsoft HoloLens眼镜设备在增强现实虚拟肺影像引导下，借助定位穿刺辅助器为hook-wire肺穿刺定位提供基础。

2.2 动物研究

动物研究实验在上海银蛇生物医药科技有限公司机构伦理委员会授予的项目许可下进行，符合上海交通大学附属上海胸科医院的动物伦理。实验中选择3头雌性、12个月、45 kg的丹麦长白猪用于动物实验。对每头猪进行一次CT扫描，存储从扫描中获得的数字成像和通信（digital imaging and communications in medicine,DICOM）图像数据。在CT屏幕上的10个小的肺结构或点（左右各5个），包括钙化点、细支气管分叉和肺段之间的淋巴结，被选为假定的SPN。根据SPN的AR定位，钩线用于经皮穿刺。CT扫描和穿刺均在吸气末，由麻醉师控制潮气量后开展。

2.3 数据采集

根据CT结果记录并计算计划穿刺路径与实际穿刺路径的夹角、计划进入点与穿刺点的距离、计划穿刺深度与实际穿刺深度的距离。穿刺针的三维位置重建后，将三维穿刺针与预设的穿刺路径进行比较。比较的主要参数是：两条线之间的夹角、两条线顶点的空间位置差异以及穿刺针进入体表后实际进入点与计划点之间的距离。最终这些参数由软件Materialise 3-matic（Materialise Inc.,Belgium）自动计算，hookwire定位命中率进行统计计算。辅助定位器由胸科医院采购中心联合相关厂家进行研发（见图1），定位器由两块组件组成：一块组件上包含一块二维码标识板，另一块组件上包含三块二维码标识板，配合HoloLens眼镜识别标识板，虚拟猪3D模型与实际进行深度重合，辅助操作者找准进针点，并矢状面旋转定位针。

图1 辅助定位器组成Fig.1 Auxiliary positioner composition

2.4 统计分析

此实验所有数据统计分析均使用SPSS 26.0（IBM Corp.,Armonk,NY,USA）软件。实验相关数据表示为平均值±标准偏差（SD）。

3 结果

通过实验，我们在猪动物模型中评估HoloLens AR辅助的SPN定位。由于实验猪的生命体征在整个研究过程中均正常，因此该技术的安全性得到了很好的证明。在该组实验中，3头猪共进行6侧胸腔穿刺，发生1例气胸，未引起严重不良反应。根据实验结果，实际穿刺进入点与计划点的平均距离为9±5 mm，穿刺深度与预期深度的平均距离为9±8 mm，两者距离均小于1 cm。命中范围设置为结节周围直径1 cm时总准确率为77%，病灶周围直径设置为2 cm时总准确率为100%，在肺段切除术或楔形肺切除术中是可以接受的。

4 讨论

近年来，头戴式AR或VR设备以及各种成熟的商业产品在外科领域得到了广泛应用。Microsoft的HoloLens设备相对简单便携，可以应用于更多场景。在手术过程中，AR技术不仅可以将手术区域的透视图像实时投影给外科医生，还可以将患者的解剖结构显示为3D全息图像。AR显示系统可以同时呈现现实世界中和虚拟世界中的物体，操作者的眼睛可以一直盯着手术区域，相关信息显示在手术区域的相应位置。特别是在使用头戴式增强现实设备时，由于部分头戴式增强现实设备采用半透明屏幕，操作者可以通过屏幕清楚地看到实际手术区域，从而避免可能出现的手眼分离问题。

从国外最新应用来看，增强现实技术用于：骨科置入椎弓根钉[13]、肝脏外科提高肿块切除的精准性[14]、整形外科手术中植入物路径选择[15]。QIAN等[16]通过在模拟手术环境中的实验，比较了EpsonBT200、ODGR7和HoloLens 3种AR设备的系统延迟时间和帧率，结果表明HoloLens优于其他设备。PRATT等[17]将HoloLens应用于腿部穿支皮瓣手术，利用患者的CT图像数据进行三维重建，获得血管、皮肤等虚拟解剖模型。在手术过程中，将虚拟模型叠加并配准到患者相应的解剖结构，并使用HoloLens进行三维显示。INCEKARA等[18]将HoloLens应用于25例脑肿瘤切除手术，以传统神经外科导航系统BrainLab为标准对照，平均误差幅度为4 mm。据报道，手术计划期间的混合现实可视化有助于在微创手术期间准确快速地识别肺部小病变，并减少使用Microsoft HoloLens进行额外的侵入性术前定位程序[19]。

对于国内最新应用而言，增强现实技术用于：骨科髋部骨折手术、乳腺外科以及小儿肝外科手术[20]（见图2）。在胸外科手术中尝试使用增强现实技术是对原有传统技术的突破，而安全性是这种新技术的重要指标。在本研究中对实验动物进行全身麻醉，在整个实验过程中监测其生命体征。我们没有观察到明显的不良反应，如血胸和心血管事件，仅有1头猪出现轻度气胸，及时对其进行了胸腔闭式引流。期待后续I期临床研究对本方法的安全性进一步探索和验证。

图2 增强现实（AR）在国内外科领域的应用Fig.2 Application of augmented reality in domestic surgical field

5 展望

HoloLens AR辅助的SPN定位将成为改善早期肺癌手术精准治疗的一项创新性技术[20]。首先评估其在动物模型中的可行性，然而其安全性和有效性需要在临床试验中进一步研究。

对于硬件配置而言，本方法无需手术室安装特殊设备，头戴装置便于携带，成本相对较低，无需放射科、介入科等配合，可由外科医生独立完成操作。同时由于设备简单，操作简单快捷，具有较好的经济效益前景。在社会效益层面，可减少患者疼痛及对手术的恐惧，降低肺结节切除技术门槛，促进技术普及，同时增加了早期肺癌微创切除比例。因此本技术值得研发并进行临床转化。