楊成帥 綜 述 張詩雷 審 校

基于三維超聲成像的軟組織外科導航技術的臨床應用進展

楊成帥 綜 述 張詩雷 審 校

近年來醫(yī)學影像技術飛速發(fā)展，通過將多模式的醫(yī)學圖像整合到手術導航系統(tǒng)中，可以有效提高外科手術的精確性和靈活性，增加手術安全性并縮短手術時間。我們對近年來新興的基于三維超聲成像的軟組織外科導航技術，在醫(yī)學外科領域的應用現(xiàn)狀進行綜述，系統(tǒng)闡述了其原理、臨床應用及優(yōu)缺點。

三維超聲軟組織導航外科

1 概述

外科手術導航是指以CT、MRI等醫(yī)學影像數(shù)據(jù)為基礎，通過術中與術前影像融合，建立虛擬現(xiàn)實空間，結合三維可視化技術進行手術模擬，并借助各種定位儀器跟蹤術中手術器械相對于人體組織器官的位置關系，從而引導醫(yī)生更為安全、高效地開展手術[1]。手術導航系統(tǒng)通過在手術過程中不斷跟蹤手術進程，向醫(yī)生提供導航信息，引導醫(yī)生調(diào)整手術路徑及方法，可有效地降低手術風險，提高手術的成功率。

手術導航技術起源于神經(jīng)外科的框架式立體定向技術。上世紀80年代，隨著醫(yī)學影像技術的迅速發(fā)展，特別是CT、MRI在醫(yī)學領域的廣泛應用，使立體定向?qū)Ш郊夹g進入了無框架引導手術的模式。1986年，Roberts等在CT影像引導下實施無框架立體定位顯微手術并取得成功，首次提出了無框架立體定位手術的概念[2]。此后，基于圖像引導手術導航技術的發(fā)展經(jīng)歷了一系列的改進和變化。從最初的機械臂跟蹤系統(tǒng)，發(fā)展為如今的主動或被動的光學、電磁定位三維動態(tài)導航系統(tǒng)，并在臨床上廣泛應用。其優(yōu)勢在于：①精確定位術區(qū)解剖結構及病理組織；②術前仿真模擬，制定手術計劃；③控制切除范圍和手術入路，保護重要結構組織[3]。目前使用的多數(shù)手術導航系統(tǒng)，主要是針對無形變的骨性結構，該導航系統(tǒng)在骨性或硬性結構框架內(nèi)的操作準確性較好，但在涉及軟組織的手術時，用于術中導航的術前圖像無法實時反映術中軟組織的形態(tài)，容易出現(xiàn)較大定位偏差。主要為手術中各解剖結構間的位置發(fā)生變化或軟組織產(chǎn)生形變，如胸腹手術中患者呼吸或心跳的影響、術中體位的移動或改變、軟組織由于按壓等引起的形變、手術操作如切除引起的組織結構變化等。因此，迫切需要新的能夠跟蹤反映組織形變的手術導航系統(tǒng)，以滿足實際工作的需要[4]。

為了解決術中軟組織形變引發(fā)的難題，以提高術中定位精度，目前是在術中引入CT、MRI，利用術中獲得的形變后的軟組織斷層圖像與術前影像配準融合后，根據(jù)融合后的圖像進行手術導航。但由于術中CT/MRI并非實時連續(xù)成像，產(chǎn)生的電離輻射會對患者造成二次創(chuàng)傷[5]，且因所需設備龐大復雜、掃描圖像耗時較久和成像速度慢等問題，使得該方法難以普及應用。而超聲診斷技術在現(xiàn)代臨床診療中有著獨特的應用優(yōu)勢，具有價廉、應用廣、實時性強，且對患者無電離輻射損傷等優(yōu)點。尤其在手術過程中，超聲診斷對于手術器械和人體臟器的影響很小，并能實時反映術中軟組織解剖結構的改變，因此近年來得到了極大的關注。

早期的相關研究，主要是基于術中二維超聲圖像引導的手術導航技術。但是，基于二維超聲圖像引導的手術導航存在著很多問題，例如：術中僅能提供人體斷面的二維圖像，缺乏直觀性，需要醫(yī)生根據(jù)解剖知識和臨床經(jīng)驗想象出圖像所包含的三維結構，使診斷的準確性和定位精度都存在可能的偏差。而三維超聲成像技術可以提供病變部位直觀、立體的三維結構，彌補了二維超聲的不足，因此基于三維超聲成像的軟組織手術導航技術已成為新的研究熱點。該技術使用三維超聲圖像作為術中引導圖像，在手術過程中可以隨時采集和更新病灶圖像。此外，手術器械的位置和超聲探頭的三維姿態(tài)信息可以通過光學定位或電磁定位設備獲得，最終將病灶和手術器械的實時空間信息融合顯示在屏幕上，對目標區(qū)域的三維結構和軟組織形變進行實時有效跟蹤，醫(yī)生根據(jù)顯示屏上的導航信息進行手術，明顯提高了軟組織手術的精度，有著切實的臨床應用價值[6-7]。

2 基于三維超聲成像手術導航系統(tǒng)的工作原理

該手術導航系統(tǒng)主要由超聲儀、圖形工作站、手術器械以及磁定位器（或光學定位裝置）組成。超聲儀獲取實時B型超聲圖像并傳送至工作站；圖形工作站用于數(shù)據(jù)采集、圖像處理；磁定位器（或光學定位裝置）跟蹤超聲探頭及手術器械的位置和運動方向。獲取三維超聲圖像的前提是確定二維超聲圖像在三維空間的位置，當術中用裝有定位裝置的超聲探頭進行病灶區(qū)域掃描時，工作站獲取超聲圖像的同時，也記錄下該圖像所在空間中的位置、方向。當每張圖像給定了位置和方向，得到每個像素點三維模型空間中的坐標，利用最近鄰相靠法將每個像素分配到三維模型空間的標準晶格中。最后對于標準晶格中空白部分，通過空間插值方法進行填充，形成標準的斷層圖像序列空間[8]，利用工作站勾勒出的圖像，重建出病變區(qū)域的空間立體結構，將得到的三維超聲數(shù)據(jù)通過配準算法與術前的CT/MRI數(shù)據(jù)進行融合。同時，手術器械和超聲探頭的位置信息也被輸送到圖形工作站，并不斷更新，最終將跟蹤的手術器械疊加顯示在融合的圖像上，就可以實現(xiàn)對手術過程的實時導航。

3 臨床應用進展

目前,基于三維超聲成像的手術導航技術的臨床應用研究，主要集中于軟組織來源疾病的精確定位治療，特別是在神經(jīng)外科和普外科領域[9-10]，常被輔助用于腫瘤定位、穿刺活檢及介入治療等[11]。該手術導航系統(tǒng)不僅可以優(yōu)化治療路徑規(guī)劃，而且能夠跟蹤治療裝置，實時顯示病灶的三維空間位置信息。同時，也可為良性腫瘤的微創(chuàng)治療及惡性腫瘤的根治性治療提供更多的幫助。

3.1 神經(jīng)外科領域的應用

目前，在神經(jīng)外科手術中，光學神經(jīng)導航系統(tǒng)得到了廣泛的應用[6，12]。該導航系統(tǒng)采用術前的醫(yī)學影像資料，但是術中由于腦組織的形變和移位，會對定位的準確性造成影響，需要術中實時掃描來糾正影像漂移造成的誤差[13]?；谌S超聲成像的手術導航技術可以獲得術中實時更新的病灶區(qū)域的超聲圖像，通過與術前的MRI圖形融合，能夠很好地解決術中腦組織移位的問題，并可明確腫瘤的位置、大小及與周圍重要血管的關系，可更加精確地控制腫瘤的切除范圍[14]。田增民等[15]應用該導航技術實施了20例神經(jīng)外科手術，取得了良好的效果，認為基于術中三維超聲圖像引導的手術導航技術能準確分辨和定位病灶，并且能夠使術者明確瘤體大小及其與周圍結構的毗鄰關系，這較常規(guī)直視下的手術操作更易于判定腫瘤的邊界。常規(guī)囊性血管母細胞瘤的切除手術過程中出血風險非常大[16]，并且術后復發(fā)率很高[17]，而術中實時超聲引導可以對瘤結節(jié)精確定位，提供實時的血流信息，從而可以保證完整切除瘤體、降低手術出血風險及術后復發(fā)率，并減少了對周圍正常腦組織的損傷[18]；利用術中超聲進行微創(chuàng)腦內(nèi)血腫清除，能夠準確定位血腫位置，可以通過大腦溝入路清除血腫，無需進行皮質(zhì)造瘺，避免了損傷腦皮質(zhì)[19]；用于顱內(nèi)血管畸形手術時，術中超聲可以對畸形血管團及其毗鄰結構進行實時掃描并監(jiān)測血流動力學，避免因術中的錯誤判斷而導致大出血及正常腦組織的損傷[20]。上述臨床實驗均證實了基于三維超聲成像手術導航系統(tǒng)在神經(jīng)外科手術方面的優(yōu)越性。

3.2 普外科領域的應用

3.2.1 肝、腎臟腫瘤中的應用

研究資料表明，如果腫瘤的直徑非常小、聲像圖顯示不清晰，那么其治療后的復發(fā)率會上升[21]。Rhim等[22-23]研究發(fā)現(xiàn)，肝臟腫瘤邊界不確定造成射頻治療的不徹底，其發(fā)生率在7.9%~18.0%之間。因而采用多模態(tài)圖像融合、基于術中三維超聲成像的手術導航技術則顯示出獨特優(yōu)勢，可應用該手術導航技術對腫瘤的邊界進行精確計算，并嘗試精確定位手術器械的位置。Maeda等[24]使用融合了超聲、MRI圖像的導航技術對34例患者（351個靶目標）進行肝臟腫瘤的射頻消融和乙醇注射治療。在射頻過程中，圖像融合系統(tǒng)可以清楚顯示超聲探頭、射頻針、腫瘤和門靜脈，圖像融合的誤差在3 mm左右。結果表明，所有患者的治療過程均是安全有效的，并且無任何嚴重并發(fā)癥發(fā)生。在該導航技術的引導下，對肝內(nèi)占位性病變進行介入診療，大大提高了病變定位和穿刺的準確性，同時也為術者制定手術方案和路徑提供了更為直觀的空間信息[25]。

Ukimura等[26]對10例腎癌患者使用實時超聲及CT圖像融合導航技術進行射頻消融治療。患者在術前進行了腹部CT掃描，然后將圖像導入導航系統(tǒng)的圖形工作站進行三維重建，重建完成后能夠得到腎臟腫瘤各個角度的圖像信息，在導航系統(tǒng)的輔助下完成射頻消融治療。整個治療過程中無明顯并發(fā)癥發(fā)生。隨訪顯示，10例患者均無復發(fā)。

3.2.2 肝、腎臟囊腫中的應用

在傳統(tǒng)的肝、腎囊腫穿刺手術中，醫(yī)生主要通過二維超聲圖像對手術過程進行檢測，完全依靠臨床經(jīng)驗對穿刺點和病灶靶點進行定位。但是，在穿刺時很難監(jiān)測針尖的位置，從而降低了手術效率。在術中三維超聲圖形引導導航技術的輔助下實施穿刺手術，可以精確地對病灶靶點進行定位，實時顯示病灶和針尖的位置，大大提高了手術效率，增加了手術的安全性。劉少麗等[27]使用該導航技術，共實施了5例囊腫穿刺術，其中3例腎囊腫，2例肝囊腫（5 cm＜直徑＜8 cm），整個手術過程耗時30 min左右，機器人的全部工作均在10 min以內(nèi)完成，定位精度均在1 mm以內(nèi)。經(jīng)術后評價，患者治療效果良好。該臨床實驗表明，基于三維超聲成像技術的導航技術，能夠提供病灶區(qū)的立體結構信息，通過術前規(guī)劃精確定位病灶和進針點，精確控制手術器械的運動幅度，極大地提高了手術治療效果[27]。

3.2.3 乳腺腫瘤中的用

目前，基于三維超聲成像的導航技術也已應用于乳腺腫瘤的治療中。高頻超聲能夠辨認多種乳腺腫瘤，而乳腺MRI診斷乳腺癌的敏感度為94%～100%，特異度在20%～100%之間，兩種圖像融合的優(yōu)勢在于結合了高分辨率的超聲圖像和磁共振的功能成像[10]。Nakano等[28]使用該系統(tǒng)對65例乳腺腫瘤患者進行了術中實時超聲圖像引導手術，主要目的是為了探查乳腺中的偶發(fā)增強病灶并對其進行定性判斷。結果發(fā)現(xiàn)，利用該導航系統(tǒng)進行圖像的實時融合對偶發(fā)增強病灶的發(fā)現(xiàn)率為83%，遠高于使用單種影像學方法（30%），并且可以在術中借助三維超聲成像的方法重構腫塊的立體結構，較清楚地顯示了與鄰近組織的關系，以便于及時調(diào)整手術路徑，精確定位病灶靶點，減小手術創(chuàng)傷。

3.2.4 甲狀腺腫瘤中的應用

對于早期甲狀腺癌的治療，應以盡量保存患者功能、提高患者生存質(zhì)量為原則。如何徹底切除癌組織，縮小手術范圍，保護頸部功能，是手術治療的關鍵所在。實時術中三維超聲成像與手術導航系統(tǒng)聯(lián)合應用，可以盡可能地切除病灶并保留正常組織，減小了手術創(chuàng)傷，改善了術后頸部的畸形[29]。此外，該系統(tǒng)在甲狀腺腫物定位穿刺活檢及術后放療定位中的應用，也具有獨特的優(yōu)勢[30]。

4 展望

目前，基于三維超聲成像的導航技術在診斷和治療方面全面發(fā)展，已經(jīng)應用于多個學科領域。但是，術中三維超聲成像的實現(xiàn)和應用過程中，還有許多關鍵技術問題未能解決，因而無法完全滿足精準多變的臨床需求。

4.1 三維重建速度及圖像質(zhì)量的提升

目前已處于臨床實驗階段的三維超聲成像系統(tǒng)的重建速度比較慢。一是因為重建的數(shù)據(jù)量比較大，二是因為超聲圖像的固有斑點噪聲需要進行預處理。因此，在保證重建質(zhì)量的前提下應盡可能縮短重建時間。此外，在三維重建過程中，重建的速度和質(zhì)量是一對不可調(diào)節(jié)的矛盾，我們必須在保證質(zhì)量的前提下，盡量提高重建的速度。

4.2 圖像融合配準技術的改進

目前圖像融合配準多應用手工配準，操作難度大，對操作者的臨床經(jīng)驗要求高。故目前急需研發(fā)一種精度高、穩(wěn)定性好、全自動化的醫(yī)學圖像配準和融合方法。

4.3 應用適應癥的擴展

超聲與CT/MRI等圖像融合技術近年來剛應用于臨床，優(yōu)勢明顯，發(fā)展迅速。目前，這一新技術正日益廣泛地應用于神經(jīng)外科和腹部、乳腺、甲狀腺等疾病的治療。但是，在修復重建與整復外科領域（如腫瘤引起的缺損或畸形、眼部、胸部整形等）尚無基于術中超聲與術前CT/MRI融合引導的手術導航系統(tǒng)應用于軟組織手術的相關報道。相信隨著多學科的交叉滲透和配合，相關研究必將繼續(xù)深入，三維超聲導航技術將會越來越成熟，并在修復重建與整復外科領域得到廣泛的推廣和應用，創(chuàng)造更多的臨床價值。

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Research Progress of Navigation Technique in Soft Tissue Surgery Based on Three-dimensional Ultrasound Imaging

YANG Chengshuai,ZHANG Shilei.
Department of Oral and Cranio-maxillofacial Science,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.Corresponding author:ZHANG Shilei(E-mail:leinnymd@hotmail.com).

【Summary】With the rapid development of medical imaging technology in recent years,it can improve the surgical accurace,dexterity,safety and decrease the operative time by integrating high-quality medical images to the surgical navigation system.In this paper,the development of navigation technique in soft tissue surgery based on three-dimensional ultrasound imaging was reviewed and its technical principles,clinical applications,advantages and disadvantages were expounded systematically.

Three-dimensional ultrasound;Soft tissue;Navigation;Surgery

R312

B

1673－0364（2015）04－0278－04

10.3969/j.issn.1673-0364.2015.04.016

2015年2月10日；

2015年3月30日）

國家自然科學基金（81371193）；上海市醫(yī)學圖像處理與計算機輔助手術重點實驗室開放課題（13DZ2272200-4）。

200011上海市上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科。

張詩雷（E-mail：leinnymd@hotmail.com）。