多模態(tài)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在顱頜面頭頸腫瘤中的臨床應(yīng)用

閆大勇，蔡曉清，郭樂樂，鐘克濤，張 瑞

顱頜面頭頸腫瘤包括顱底腫瘤以及來源于鼻腔、口腔、耳、頜骨等組織的頜面部腫瘤。頜面部及其周圍神經(jīng)血管豐富，手術(shù)復(fù)雜度高，難度大，一旦損傷，不僅會影響視、聽、嗅、語言、吞咽等功能，嚴(yán)重者還可導(dǎo)致死亡。因此，在進(jìn)行手術(shù)前，需對顱頜面腫瘤進(jìn)行正確評估，從而為臨床治療提供精確的參考依據(jù)，減少損傷的發(fā)生[1]。傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查包括磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)，電子計算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)等。MRI能較好地顯示腫瘤及腦脊液，但對骨組織及牙體組織顯示有所欠缺；CT對骨組織顯示清晰，但在確定顱底腫瘤與周圍正常結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系方面有待加強(qiáng)。以往在判斷腫瘤的性質(zhì)、位置、大小及其與周圍組織的關(guān)系時，需將兩者結(jié)合起來，綜合考量，對醫(yī)生的三維空間感提出了較高要求。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)(MR)是一種以多模態(tài)影像融合為基礎(chǔ)的新型成像技術(shù)，通過數(shù)字化軟件將CT、MRI等影像數(shù)據(jù)融合，整合血管、神經(jīng)及周圍組織的數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維可視化重建，優(yōu)化圖像顯示效果，反映真實(shí)疾病情況，從而幫助醫(yī)生術(shù)中導(dǎo)航，減少重要結(jié)構(gòu)的損傷風(fēng)險[2-4]。國內(nèi)何修勇等也報道，多模態(tài)MR成像技術(shù)能多方面、充分顯示腫瘤侵及腸壁的深度及與周圍組織侵犯范圍，提高直腸癌分期的診斷準(zhǔn)確性[5]。目前，關(guān)于多模態(tài)MR技術(shù)在顱頜面腫瘤中應(yīng)用的研究較少，為此，本研究將深入探討多模態(tài)MR技術(shù)在顱頜面腫瘤中的應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

以2019年3月—2020年6月我院口腔頜面外科收治的46例顱頜面腫瘤患者為研究對象，其中男25例，女21例，年齡均小于70歲，平均(48.68±10.99)歲。無嚴(yán)重系統(tǒng)性疾病，基本情況和臨床病理等信息完整?；颊吣[瘤類型及例數(shù)為側(cè)顱底神經(jīng)鞘瘤6例，口咽癌16例，口底癌6例，腮腺良性腫瘤8例，腮腺惡性腫瘤10例。腫瘤體積為：2.4～8.8 cm3，通過mimics 20.0軟件進(jìn)行腫瘤三維重建后，可以計算平均體積為：4.4 cm3，腫瘤主要位于顳下窩、翼腭窩和咽旁間隙。

所有患者進(jìn)行術(shù)前常規(guī)檢查、患區(qū)MRI和CT檢查，檢查過程中，患者體位以及頭頸部空間位置與術(shù)中體位保持相同，使用頭部固定裝置進(jìn)行限制，盡可能確保MRI和CT檢查時的空間位置相同。將患者隨機(jī)分為對照組和觀察組，每組各23例，對照組患者使用傳統(tǒng)二維CT以及MRI影像資料檢查，進(jìn)行手術(shù)治療。觀察組患者則基于影像資料，運(yùn)用MR技術(shù)多模態(tài)融合后，再進(jìn)行手術(shù)治療。本研究經(jīng)鄭州市中心醫(yī)院倫理委員會審查和批準(zhǔn)，項(xiàng)目研究內(nèi)容和過程遵循醫(yī)學(xué)研究的倫理要求，所有參與者均簽署知情同意書。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

病例納入標(biāo)準(zhǔn)：①所有患者均經(jīng)臨床和(或)病理學(xué)診斷為顱頜面頭頸腫瘤；②有手術(shù)指征；③心、腎、肝等重要部位無感染或其他嚴(yán)重疾病，也未出現(xiàn)可能干擾治療過程的其他情況。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①年齡超過70歲；②出現(xiàn)嚴(yán)重問題無法進(jìn)行手術(shù)者；③由于其他原因不能堅持治療而中途退出者。

1.3 儀器與方法

1.3.1 儀器與軟件 使用儀器和軟件包括 Philips64排CT機(jī)，西門子1.5T磁共振掃描儀，醫(yī)學(xué)圖像處理工作站，Microsoft HoloLens眼鏡(圖1)，Mimics Innovation Suite Research 20.0三維重建軟件系統(tǒng)。

圖1 Microsoft HoloLens眼鏡

1.3.2 三維建模 對照組基于二維影像資料，行傳統(tǒng)手術(shù)治療。觀察組患者的CT、MRI原始數(shù)據(jù)則導(dǎo)入Mimics Innovation Suite Research 20.0軟件中構(gòu)建三維模型。根據(jù)DICOM影像數(shù)據(jù)提供不同的灰度值，對目標(biāo)組織、器官、腫瘤進(jìn)行全方位觀察、邊緣檢測和標(biāo)記，使用軟件內(nèi)置工具對圖像進(jìn)行分割提取融合，分別重建CT和MRI三維影像，輸出STL文件，根據(jù)骨性結(jié)構(gòu)進(jìn)行CT和MRI三維影像的多模態(tài)融合。分別如圖2 A、B、C所示。

1.3.3 手術(shù)配準(zhǔn)及導(dǎo)航 術(shù)中將患者體位固定后，通過Microsoft Holo Lens眼鏡視窗，調(diào)整虛擬立體成像至1∶1大小，根據(jù)選擇的參照點(diǎn)(耳垂下切跡、內(nèi)眥、外眥以及雙側(cè)口角)與手術(shù)部位進(jìn)行配準(zhǔn)，將虛擬圖像調(diào)整至半透明狀態(tài)，在術(shù)區(qū)體表標(biāo)記相關(guān)組織、器官，根據(jù)術(shù)前討論的虛擬手術(shù)計劃，執(zhí)行手術(shù)方案。分別如圖2、圖3 D、E所示。

手術(shù)中根據(jù)操作進(jìn)度，可通過Microsoft Holo Lens眼鏡觀察重要血管結(jié)構(gòu)的位置，避免發(fā)生大出血。由于外周神經(jīng)無法進(jìn)行成像，因此神經(jīng)走向的判斷，主要是依據(jù)重要的血管和骨性標(biāo)志。在手術(shù)過程中定位目標(biāo)病灶，引導(dǎo)確定手術(shù)位置、大小、角度等，良性腫瘤按照腫瘤邊界摘除腫瘤，惡性腫瘤按引導(dǎo)指示沿病灶外1.5 cm處進(jìn)行切除，之后環(huán)形切除手術(shù)邊緣，病理確認(rèn)切緣無瘤細(xì)胞(陰性)后完成手術(shù)。

1.3.4 評估指標(biāo) 術(shù)前評估指標(biāo)包括的溝通時間，患者滿意度及交流溝通后的焦慮程度，其中，焦慮程度采用狀態(tài)-特質(zhì)焦慮問卷(State-Trait Anxiety Inventory，STAI)進(jìn)行評定，分別計算S-AI和T-AI部分的分值，分?jǐn)?shù)越高表示焦慮程度越高。手術(shù)指標(biāo)包括患者的手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生情況。術(shù)后指標(biāo)則為包括患者語言溝通能力、日常生活能力、預(yù)后情況[6-8]。其中語言溝通能力評分采用功能性言語溝通能力判定法，通過讓患者說話、寫字、畫畫、手勢、指圖等方式判斷其語言能力，共計 250 分，分?jǐn)?shù)越高提示患者的日常生活交流與溝通能力越好；日常生活能力則通過日常生活活動能力量表(Activities of daily living，ADL)問卷進(jìn)行衡量，得分越高表示日常生活能力越強(qiáng)；采用格拉斯哥預(yù)后評分評估患者恢復(fù)情況，分?jǐn)?shù)越高提示康復(fù)效果越好。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

2 結(jié) 果

2.1 基本情況

由表1可知，對照組男性11例，女性12例，平均年齡(49.17±11.05)歲；觀察組男性14例，女性9例，平均年齡(48.20±11.16)歲。兩組患者各基本信息無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)，提示可進(jìn)行組間比較。通過對CT和MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建以及融合，標(biāo)記圖和最終得到的效果圖分別如圖2、圖3病例所示。

表1 兩組患者基本信息比較

A：利用CT 數(shù)據(jù)進(jìn)行骨骼三維重建；B：利用MRI 數(shù)據(jù)進(jìn)行腫瘤及血管三維重建(紅色為頸動脈，藍(lán)色為頸內(nèi)靜脈，紫色為腫瘤)；C：將CT和MRI 三維重建數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建多模態(tài)重建數(shù)據(jù)；D：數(shù)據(jù)導(dǎo)入HOLENS眼鏡，進(jìn)行術(shù)中定位引導(dǎo)

A：CT與磁共振多模態(tài)三維重建；B:術(shù)中解剖頸外動脈；C：術(shù)中引導(dǎo)結(jié)扎頸外動脈(如圖箭頭所示)；D～F：術(shù)中引導(dǎo)摘除腫瘤，保護(hù)了頸內(nèi)動脈及頸內(nèi)靜脈(紅色為頸內(nèi)動脈，藍(lán)色為頸內(nèi)靜脈)

2.2 術(shù)前情況

與對照組相比，觀察組術(shù)前溝通時間和溝通后焦慮得分明顯少于對照組(P均<0.05)，而滿意度方面觀察組明顯好于對照組，如表2所示。

2.3 手術(shù)情況

由表3可知，觀察組相比對照組的平均手術(shù)時間更短，兩組手術(shù)時間分別為214.05 min、261.23 min，此外，兩組術(shù)中平均出血量分別為298.66 mL、336.51 mL(P<0.05)，觀察組患者術(shù)中出血量明顯更少，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。并發(fā)癥方面，對照組患者共有11例出現(xiàn)術(shù)后并發(fā)癥，而觀察組患者出現(xiàn)并發(fā)癥的人數(shù)為4人，組間有明顯統(tǒng)計學(xué)差異，具體各并發(fā)癥情況見下表(P<0.05)。

表3 兩組患者的手術(shù)情況比較

2.4 術(shù)后康復(fù)

如表4所示，觀察組患者的語言溝通能力得分(217.93vs.174.60)、日常生活能力得分(79.19vs.66.74)和格拉斯哥預(yù)后評分(3.91vs.2.96)均與對照組有明顯的差異(P<0.05)，提示觀察組患者康復(fù)效果更佳，預(yù)后明顯好于對照組患者。

表4 兩組患者的康復(fù)情況比較

3 討 論

該研究涉及了多種頜面部腫瘤，如圖3所示，該病例為側(cè)顱底神經(jīng)鞘瘤，腫瘤大小約1.5 cm×2 cm×2 cm，術(shù)前通過對影像資料的三維可視化重建，進(jìn)行了充分的術(shù)前分析和 HoloLens眼鏡下的虛擬手術(shù)(圖3)，手術(shù)參與者可直接近距離觀察到腫瘤與周邊重要結(jié)構(gòu)的距離，設(shè)計更可靠的手術(shù)入路；術(shù)中操作時，在距離重要組織結(jié)構(gòu)比較近的時候，可通過HoloLens眼鏡將隱藏在腫瘤背后的結(jié)構(gòu)，如頸內(nèi)動脈、頸內(nèi)靜脈等直接呈現(xiàn)在眼前，從而幫助術(shù)者選擇更合適的切除方向，保護(hù)重要結(jié)構(gòu)。

混合現(xiàn)實(shí)(MR)技術(shù)作為一種高科技模擬技術(shù)，與顱頜面外科學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)、計算機(jī)輔助設(shè)計和制造、導(dǎo)航系統(tǒng)相互補(bǔ)充。它通過在現(xiàn)實(shí)場景呈現(xiàn)虛擬場景信息，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間的深度交互和反饋，以增強(qiáng)用戶的真實(shí)體驗(yàn)[9-10]。由于顱頜面腫瘤位置特殊，具有口腔頜面外科、神經(jīng)外科、耳鼻咽喉頭頸外科交叉學(xué)科的特點(diǎn)，同時該區(qū)域神經(jīng)血管較為豐富，因此頜面部手術(shù)治療難度較高，對于腫瘤的精準(zhǔn)定位要求也更高。顱頜面手術(shù)成功與否很大程度上取決于制定的手術(shù)方案是否精確。如果僅憑傳統(tǒng)CT或MRI二維圖像信息，醫(yī)生需基于臨床經(jīng)驗(yàn)，通過想象才能得到立體病灶模型圖，這對于高精度的復(fù)雜顱頜面畸形手術(shù)是較大的限制，因此亟需更形象、更直觀的技術(shù)幫助精準(zhǔn)定位。而對原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建的MR技術(shù)使其成為了可能。在顱面頭頸領(lǐng)域中，它可將CT/MRI的影像資料融合，提供數(shù)字化的人體解剖學(xué)、生理學(xué)和病理學(xué)的三維可視化圖像，精準(zhǔn)定位腫瘤、顱骨、顱底動靜脈血管、頜骨組織等，擴(kuò)大醫(yī)生的視野范圍，提升他們對頜面深部組織的三維辨識能力，為頜面部手術(shù)提供更形象的參考依據(jù)，降低重大并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險，從而促進(jìn)患者術(shù)后的康復(fù)[11-14]。在探討虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，及混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在胸壁腫瘤切除及重建精確手術(shù)治療中的應(yīng)用中，指出三種技術(shù)結(jié)合能更精確地切除腫瘤,并對胸壁后組織器官有更精準(zhǔn)的了解，為三維打印材料置入提供了技術(shù)保障[15]。此外，MR技術(shù)在肝臟手術(shù)和腦腫瘤研究中也有所應(yīng)用，結(jié)果提示它在術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中引導(dǎo)、外科教育、醫(yī)患溝通等多個方面都逐漸展示出明顯優(yōu)勢和廣闊前景[15-16]。

本研究通過采用MR技術(shù)將虛擬的腫瘤周邊解剖結(jié)構(gòu)顯象，通過眼鏡視窗操作，實(shí)現(xiàn)虛擬圖像和現(xiàn)實(shí)解剖部位的混合(如圖2C)，將疾病的真實(shí)情況反饋給醫(yī)生、患者和家屬，此外，它還能在術(shù)中將腫瘤及周邊組織的解剖結(jié)構(gòu)完整呈現(xiàn)，從而幫助醫(yī)生減少術(shù)中并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險，進(jìn)而幫助患者快速康復(fù)。研究結(jié)果提示，在術(shù)前通過將三維可視化的病變區(qū)域呈現(xiàn)在術(shù)者、患者及其家屬眼前，全面直觀地了解病變及其周圍解剖結(jié)構(gòu)，讓患者及家屬參與術(shù)前計劃和分析，更加直觀了解病情、手術(shù)方案，明顯減少術(shù)前溝通時間，提升醫(yī)患溝通的效率，同時減少他們的焦慮情緒，增強(qiáng)治療的信心。而在術(shù)中通過使用Microsoft HoloLens眼鏡，將預(yù)先得到的三維可視化數(shù)據(jù)，全息影像圖投影到手術(shù)操作區(qū)域，從而完全透視到操作點(diǎn)背后的解剖結(jié)構(gòu)，從而明顯縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血量，為減少損傷神經(jīng)血管等重要結(jié)構(gòu)手術(shù)風(fēng)險和術(shù)后并發(fā)癥風(fēng)險打下了基礎(chǔ)。術(shù)后康復(fù)方面，觀察組共有4人出現(xiàn)術(shù)后并發(fā)癥，明顯少于對照組的11人，而患者的語言溝通能力得分、日常生活能力得分和格拉斯哥預(yù)后評分等有明顯的組間差異，提示MR技術(shù)的加持能明顯改善患者預(yù)后，促進(jìn)患者快速恢復(fù)，與以往研究中的觀點(diǎn)或結(jié)果類似[17-19]。尹華強(qiáng)等[20]探討增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在口腔頜面部骨折手術(shù)中的初步應(yīng)用，他們基于JSAR Tool Kit在網(wǎng)絡(luò)上開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用程序，結(jié)合自主設(shè)計的三維打印咬合板及咬合板上的人工標(biāo)志物實(shí)現(xiàn)對上下頜骨三維增強(qiáng)顯示，術(shù)后評估了影像學(xué)及咬合情況、面部外形的恢復(fù)、患者主觀滿意度、手術(shù)時間等。結(jié)果顯示術(shù)后影像學(xué)檢查可見骨折復(fù)位良好，鈦板位置與術(shù)前規(guī)劃吻合，患者面部外形、咬合關(guān)系恢復(fù)良好，患者滿意度調(diào)查好，手術(shù)時間較基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的手術(shù)有所縮短，提示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有利于輔助頜面外科手術(shù)。

總體而言，MR能較好地用于顱頜面手術(shù)術(shù)前制定手術(shù)計劃和術(shù)中引導(dǎo)。通過提供更加全面的影像信息、更加直觀的三維模型，方便醫(yī)患進(jìn)行術(shù)前溝通，提高溝通效率，同時縮短手術(shù)時間，降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險，促進(jìn)患者的康復(fù)，后續(xù)能在臨床進(jìn)行推廣。