孫濤， 鄧飛， 李建， 唐金海

乳腺癌專題

混合現(xiàn)實技術(shù)在乳腺腫瘤精準(zhǔn)手術(shù)中的應(yīng)用初探

孫濤， 鄧飛， 李建， 唐金海

目的初步探討混合現(xiàn)實技術(shù)在乳腺外科精準(zhǔn)手術(shù)治療中的應(yīng)用價值。方法1例女性患者例行體檢，超聲檢查發(fā)現(xiàn)右側(cè)乳腺有占位性病變，為進一步診斷，行多排CT胸部平掃、乳腺3.0T MR平掃+增強檢查，獲得CT和MRI DICOM原始數(shù)據(jù)，輸入計算機后進行立體三維模型重構(gòu)，而后運用混合現(xiàn)實技術(shù)顯示。結(jié)果基于CT、MRI影像學(xué)原始數(shù)據(jù)的高清混合現(xiàn)實顯示技術(shù)能清晰顯示乳腺解剖結(jié)構(gòu)，標(biāo)記腫瘤，明確診斷，使醫(yī)患溝通簡單、明了，手術(shù)路徑清晰，在盡可能保全正常組織的同時完整切除腫瘤，手術(shù)時間縮短。結(jié)論混合現(xiàn)實技術(shù)為代表的醫(yī)學(xué)數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展，與醫(yī)學(xué)有機融合，為臨床診療模式帶來了革命性地改變，降低了對經(jīng)驗與想象力的依賴，為醫(yī)生每一刀提供了三維精準(zhǔn)數(shù)字化的科學(xué)依據(jù)，在乳腺外科精準(zhǔn)手術(shù)治療方面具有極大的應(yīng)用前景。

乳腺腫瘤; 混合現(xiàn)實； 精準(zhǔn)手術(shù)

目前乳腺疾病的醫(yī)學(xué)檢查手段如超聲、CT、MRI等只能夠提供二維斷面圖像，不能精準(zhǔn)、立體地反映腫塊在乳房中的具體解剖位置、大小、血供等，需要術(shù)者在腦海中根據(jù)二維影像還原重建為三維影像進行手術(shù)，難免會出現(xiàn)偏差，影響手術(shù)效果。近年來，數(shù)字醫(yī)學(xué)作為一門新興學(xué)科，獲得飛速發(fā)展，混合現(xiàn)實技術(shù)(mixed reality,MR)是一種數(shù)字全息影像技術(shù)，它是在三維空間中投射三維立體影像，觀看者可以從不同的角度不受限制地觀察，甚至可以進入影像內(nèi)部進行觀察，使手術(shù)方案更詳細，醫(yī)患溝通更簡單，手術(shù)更精準(zhǔn)[1-3]。目前，國內(nèi)外對于混合現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究較少，我們將此技術(shù)應(yīng)用于乳腺腫瘤的精準(zhǔn)手術(shù)中，并取得成功。本文主要從原始影像數(shù)據(jù)獲取、三維重構(gòu)模型、混合現(xiàn)實顯示等環(huán)節(jié)及其在乳腺腫瘤精準(zhǔn)手術(shù)治療的意義論述此技術(shù)。

1 資料與方法

1.1 患者資料

女性，38歲，因“體檢發(fā)現(xiàn)右乳房占位半月”入院。查體：雙乳對稱，發(fā)育正常，皮膚無橘皮樣變，無酒窩征，雙側(cè)乳頭未見明顯異常，擠壓乳頭無明顯溢液，右乳外上限可及大小約2.5 cm×1.0 cm包塊，質(zhì)實，邊界不清，活動差，略有觸痛，與胸大肌及胸壁無粘連、固定；左乳未及明顯腫塊；雙側(cè)腋下及鎖骨上下未捫及腫大淋巴結(jié)。超聲檢查：右側(cè)乳腺結(jié)節(jié)，TI-RADS 4A類，界不清。

1.2 檢查方法

1.2.1 設(shè)備 PHILIPS 16排螺旋CT；Siemens Trio Tim 3.0T超導(dǎo)型磁共振掃描儀、Invivo 乳腺專用8通道相控陣線圈、高壓注射器；北京維卓醫(yī)療科技發(fā)展有限公司開發(fā)的Visual Volume三維重構(gòu)軟件系統(tǒng)和混合現(xiàn)實(MR)3D醫(yī)學(xué)交互系統(tǒng)。

1.2.2 檢查前準(zhǔn)備 按操作流程向患者交代檢查注意事項，去除身上金屬物，更換病員服。

1.2.3 多排CT胸部平掃 患者仰臥檢查床上，雙手高舉抱頭，頭先進，掃描范圍從胸廓入口至肺底。具體參數(shù)：Kv 120 ，mAs 180，pitch 1.063 ，準(zhǔn)直厚度1.5 mm。掃描過程中患者需要深吸氣后屏住。

1.2.4 乳腺3.0T MRI平掃加增強掃描 患者俯臥于乳腺專用8通道相控陣線圈上,雙乳自然懸垂于乳腺線圈的兩個圓孔內(nèi), 橫向光標(biāo)與乳頭對齊，頭先進入磁體中心。依次對雙側(cè)乳腺行軸位T2-tirm、DWI、T1WI 動態(tài)增強掃描，矢狀位T2WI 脂肪抑制(FS)掃描。對于軸位T1WI 動態(tài)增強掃描(1+5)：先平掃1次，運用高壓注射器靜脈團注造影劑(Gd-GTPA，15 ml，流速3 ml/s)，繼而快速推注20 ml生理氯化鈉溶液，第23 s開始增強掃描，連續(xù)無間斷掃描5次。采用并行采集，總時間為203 s。

1.3 三維模型重構(gòu)

將CT、MRI設(shè)備采集到的DICOM原始數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Visual Volume三維重構(gòu)軟件系統(tǒng)，依次對興趣區(qū)域內(nèi)正常腺體、腫瘤、血管、皮膚、骨骼和肌肉等多種組織，運用不同的顏色進行區(qū)分，使用多個不同分割蒙版進行可視化邊緣檢測、分割提取，測量、計算生成STL格式(STereo Lithography)的三維網(wǎng)格模型，圖1為患側(cè)乳腺各種組織分割提取示意圖。

圖1 患側(cè)乳腺不同組織分割提取示意圖

1.4 混合現(xiàn)實顯示

將通過三維精準(zhǔn)超渲染可視化技術(shù)得到的3D重構(gòu)模型，用特殊軟件與算法進行定位、渲染、物理參數(shù)調(diào)整、模型功能設(shè)定，進行高維態(tài)顯示處理，再把模型載入到混合現(xiàn)實(MR)設(shè)備當(dāng)中，實現(xiàn)基于混合現(xiàn)實技術(shù)的手術(shù)規(guī)劃、醫(yī)患溝通，提高手術(shù)精準(zhǔn)度和疾病治愈率。圖2為混合現(xiàn)實技術(shù)顯示三維模型流程圖。

圖2 混合現(xiàn)實技術(shù)顯示三維模型流程圖

2 結(jié)果

2.1 基于混合現(xiàn)實技術(shù)的影像判讀結(jié)果

通過以上步驟與方法，可獲取基于混合現(xiàn)實技術(shù)患側(cè)乳腺不同方位設(shè)計圖(圖3)和基于混合現(xiàn)實技術(shù)三維重構(gòu)模型整體顯示圖(圖4)。

圖3 基于混合現(xiàn)實技術(shù)的患側(cè)乳腺不同方位設(shè)計圖

圖4 基于混合現(xiàn)實技術(shù)三維重構(gòu)模型整體顯示圖

由于感興趣區(qū)內(nèi)各種組織分別被指定對比強烈的不同顏色渲染，整個三維重構(gòu)模型不但可以任意角度瀏覽、縮放、調(diào)節(jié)亮度與對比度、隱藏與透明化各種組織等，而且可以對病灶大小進行測量計算，從而使影像判讀簡單易懂。本例患者右乳九點位可見非腫塊樣強化灶，與周圍腺體組織邊界不清，高度懷疑為纖維腺瘤。

2.2 醫(yī)患溝通與手術(shù)規(guī)劃

醫(yī)生和患者直面三維重構(gòu)模型有種身臨其境的感覺，影像直觀，可以從局部到整體，全局觀察感興趣區(qū)，探討講解手術(shù)方案，術(shù)前入路模擬，規(guī)劃以及手術(shù)仿真。患者及家屬表示聽得清楚、明白，疑慮和困惑消失。

2.3 手術(shù)經(jīng)過

氣管插管全麻，患者取仰臥位，常規(guī)消毒術(shù)區(qū)，鋪單。術(shù)中依據(jù)定位，完整切除腫塊及腫塊周圍3 cm范圍內(nèi)的腺體組織。術(shù)中快速病理：(右乳腫塊)纖維囊性乳腺病伴纖維腺瘤形成，部分導(dǎo)管擴張，導(dǎo)管上皮增生，大汗腺化生，小灶鈣化。嚴(yán)密止血后，行一期腺體內(nèi)成形術(shù)，縫合乳腺切口，切口內(nèi)置引流條一根，皮膚作皮內(nèi)縫合。術(shù)畢安返病房，予以補液及對癥治療，心電監(jiān)護。

3 討論

3.1 混合現(xiàn)實技術(shù)原理

近年來，數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)特別是3D打印技術(shù)開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[4-8]，我們前期已有報道[9]。但由于打印材料昂貴、打印時間長等原因，使其發(fā)展受到一定的限制。而以MR、VR、AR為代表的全息影像數(shù)字技術(shù)可能在未來更具有發(fā)展空間[10-13]?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實場景信息，在虛擬世界、現(xiàn)實世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。它的關(guān)鍵是與現(xiàn)實世界進行交互和信息的及時獲取與真實世界、虛擬模型、用戶之間的無縫互動。

3.2 混合現(xiàn)實技術(shù)的必要性與價值

乳腺腫瘤嚴(yán)重威脅著女性健康，發(fā)病率呈逐年增高和低齡化趨勢，因此加強乳腺腫瘤的診治研究具有重大社會意義。當(dāng)前的乳腺手術(shù)，特別是涉及到美容要求較高的保乳整形手術(shù)、乳房重建手術(shù)等，手術(shù)方案的制訂主要依靠CT或MRI等平面影像學(xué)資料作為手術(shù)準(zhǔn)備的依據(jù)。然而，CT和MRI不立體、直觀，閱片和理解均需要醫(yī)生有良好的空間想象能力。如果遇到復(fù)雜的腫瘤切除術(shù)、保乳整形手術(shù)，對切除腫瘤的組織量及乳房的塑形往往占據(jù)手術(shù)的較長時間，且術(shù)后常有乳房不對稱、畸形等問題。

混合現(xiàn)實技術(shù)使醫(yī)患雙方在術(shù)前就得到立體的乳房模型，可以真實、清晰、直觀地看到腫瘤與乳房的解剖關(guān)系及周圍組織的情況，解決了參與溝通者之間的信息不對稱性問題。據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)醫(yī)患溝通當(dāng)中患者和家屬理解到的疾病、手術(shù)方案、手術(shù)風(fēng)險相關(guān)信息不到醫(yī)生所傳達信息的30%，對治療容易產(chǎn)生不科學(xué)預(yù)期而導(dǎo)致醫(yī)患矛盾。MR技術(shù)使患者在虛擬環(huán)境中觀看到自身病灶結(jié)構(gòu)的3D復(fù)制品，醫(yī)生對著模型進行講解，可使患者和家屬加深理解自身疾病和潛在風(fēng)險，有效緩解潛在的醫(yī)患矛盾，因此MR技術(shù)可為我國嚴(yán)峻的醫(yī)患關(guān)系提供理想的解決方案。同時，醫(yī)生在實施手術(shù)前可以進行模擬手術(shù)，對如何切除腫瘤、如何推移腺瓣、如何放置假體或自體組織移植物、如何盡可能地切凈病變組織又最大程度地保留正常組織等進行精確預(yù)判，絕大多數(shù)術(shù)中可能遇到的難題都可能提前演練，獲得周密的術(shù)前計劃，使得手術(shù)更加精準(zhǔn)、安全，實現(xiàn)個性化定制手術(shù)方案，符合精準(zhǔn)外科定義，可提高手術(shù)成功率并有效縮短手術(shù)時間。

當(dāng)前，混合現(xiàn)實(MR)技術(shù)等醫(yī)學(xué)數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展，與醫(yī)學(xué)有機融合，為臨床診療模式帶來了革命性地改變，降低了對經(jīng)驗與想象力的依賴，為每一臺手術(shù)提供了三維精準(zhǔn)數(shù)字化的科學(xué)依據(jù)。我們在本例手術(shù)中將CT、MRI等影像學(xué)數(shù)據(jù)高清三維化并結(jié)合混合現(xiàn)實(MR)技術(shù)用于術(shù)前手術(shù)方案規(guī)劃、術(shù)前討論、醫(yī)患溝通，迎合創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展醫(yī)學(xué)的國家戰(zhàn)略，緊跟前沿醫(yī)療科技，提高治療的醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、社會學(xué)質(zhì)量，縮短手術(shù)時間，加速數(shù)字化醫(yī)學(xué)綜合性人才梯隊的建立與完善，不僅能提高疾病治愈率，也將加強醫(yī)院的數(shù)字化醫(yī)療科技與科研實力。

3.3 混合現(xiàn)實技術(shù)展望

目前，與混合現(xiàn)實(MR)、虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)成為信息化醫(yī)學(xué)應(yīng)用的熱門前沿領(lǐng)域，發(fā)展迅速。我國經(jīng)濟實力日益增強，人民生活水平穩(wěn)步提高，對醫(yī)療健康條件的要求越來越高，全國有13億人口及數(shù)萬家醫(yī)院，MR、VR、AR的臨床使用率應(yīng)該更多，增長率應(yīng)該更快。

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Applicationofmixedrealitytechnologyinprecisesurgeryofbreastneoplasms

SUNTao1，DENGFei2，LIJian3，TANGJinhai2.

(1.DepartmentofRadiology，theFirstAffiliatedHospitalofNanjingMedicalUniversity，Nanjing210029，China;2.DepartmentofGeneralSurgery,theFirstAffiliatedHospitalofNanjingMedicalUniversity,Nanjing210029,China;3.DepartmentofGeneralSurgery,JiangsuCancerHospital,Nanjing210009,China)

TANGJinhai,Email:tangjh@njmu.edu.cn

ObjectiveTo investigatethe application value of mixed reality technology in the precise surgery of breast tumor.MethodsOne female patient went to the hospital for routine physical examination.Ultrasound examination revealed lesions in the right breast.For further diagnosis and treatment, the multi-row CT and 3.0T MR were examined to obtain the DICOM raw data. These data were input into the computer for three-dimensional model reconstruction and then display based on mixed reality technology.ResultsMixed reality based on the raw data of CT and MRI can clearly display the breast anatomy, mark tumor and diagnose disease. The communication between surgeons and patients was simple and clear, the operation planning became clear and efficient. The tumor was resected completely while the normal tissue were preserved as much as possible, and the operation time was shortened.ConclusionsThe rapid development of digital technology which is represented by mixed reality (MR) technology combines with medicine brings the revolutionary change for the clinical diagnosis and treatment mode, reduces the dependence on experience and imagination, provides scientific basis for surgeon, and has great application prospect in breast surgical operation treatment.

Breast Neoplasms； Mixed reality; Precision surgery

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(No.JX10231801)

210029 江蘇 南京，南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放射科(孫濤)，普外科(鄧飛，唐金海)； 210009 江蘇 南京，江蘇省腫瘤醫(yī)院(江蘇省腫瘤防治研究所、南京醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院) 普外科(李建)

唐金海，Email:tangjh@njmu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-4136.2017.03.003

1674-4136(2017)03-0145-04

2017-06-01][本文編輯：李筱蕾]