湯軼 肖高明 陳躍軍 吳冠宇 王志剛

由于巨大胸壁腫瘤可侵犯大面積胸壁以及肋骨，導(dǎo)致手術(shù)切除巨大胸壁腫瘤后常引起胸壁大范圍缺損，當(dāng)缺損面積大于5 cm×5 cm，或者3根以上肋骨切除時[1]，可引起患者術(shù)后呼吸功能障礙，嚴(yán)重影響胸壁腫瘤患者的預(yù)后效果。因此，胸壁重建手術(shù)對于這些患者有著十分重要的意義。目前臨床上常用的胸壁腫瘤切除及重建術(shù)多在直視下進(jìn)行，對于手術(shù)切除范圍、切緣精確程度，以及重建胸壁材料和方法對主刀醫(yī)師的要求極高。而基于虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)及混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality，MR)技術(shù)的胸壁腫瘤切除及重建手術(shù)，是通過對患者進(jìn)行胸部CT薄層掃描、胸部MR平掃+增強(qiáng)檢查后，獲得CT和MRI的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)數(shù)據(jù)，輸入計算機(jī)進(jìn)行電腦數(shù)據(jù)3D模型建立,并打印出個體化3D置入材料，同時建立虛擬模型及手術(shù)預(yù)演，最后術(shù)中在裸眼和VR+AR+MR下決定手術(shù)切除范圍，并結(jié)合模型對比，擴(kuò)大切除胸壁腫瘤后行胸壁重建手術(shù)。這種方法相對于傳統(tǒng)胸壁重建術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，手術(shù)切除范圍及切緣精確，腫瘤切除后的缺損范圍與3D打印置入材料吻合度高，在最大程度上減少誤差，從而提高手術(shù)效果。

資料與方法

一、 病例資料

1. 病例1：患者為女性，30歲。因“發(fā)現(xiàn)胸腹壁腫塊8年余”入院。術(shù)前在湖南省腫瘤醫(yī)院胸外科行胸部及上腹MRI平掃+增強(qiáng)、全胸及上腹部薄層CT掃描，結(jié)果均提示：左上腹壁囊實(shí)性腫塊，考慮偏良性病變。擬診神經(jīng)源性腫瘤或孤立性纖維瘤，待查。

該患者術(shù)前診斷考慮為胸壁腫瘤，呈啞鈴狀，肌層及胸廓內(nèi)均有病變，而且累及胸壁及數(shù)根肋骨，與心臟、肝臟表面緊貼。如行常規(guī)手術(shù)治療，不僅腫瘤切除有一定難度，腫瘤切除后胸壁將出現(xiàn)嚴(yán)重的骨缺損，影響患者的術(shù)后呼吸功能，且患者的心臟和肝臟難以得到較好的保護(hù)。

2. 病例2：患者為女性，64歲，因“左側(cè)胸壁韌帶樣瘤切除術(shù)后11個月，左側(cè)胸痛7 d”入院。11個月前于外院行左側(cè)胸壁腫物切除活檢術(shù)，術(shù)中見腫塊與左第2前肋關(guān)系緊密，并切除部分左第2前肋。術(shù)后病理檢查示：韌帶樣瘤(纖維瘤病)。7 d前因左側(cè)胸痛，行彩色多普勒超聲檢查：左側(cè)鎖骨下低回聲腫塊，大小約6.2 cm×3.4 cm。術(shù)前行胸部薄層CT、胸部MRI平掃+增強(qiáng)掃描，結(jié)果提示：左側(cè)胸壁韌帶樣瘤切除術(shù)后，左前上胸壁腫塊，左第1前肋骨質(zhì)受累，與左無名靜脈及左鎖骨下動脈關(guān)系緊密。

該患者術(shù)前診斷考慮纖維瘤術(shù)后復(fù)發(fā)，向胸腔內(nèi)凸起，不僅侵犯左第1肋骨，且累及局部左無名靜脈及左鎖骨下動脈。常規(guī)手術(shù)需擴(kuò)大切除受累組織，但術(shù)中左無名靜脈及左鎖骨下動脈有可能無法得到較好保護(hù)，有切除血管行血管置換或截肢可能，對患者以后生活影響大。

二、 方法

2例VR+AR+MR技術(shù)均由湖南六新智能科技有限公司和長沙達(dá)芬奇眼醫(yī)療科技有限公司提供并協(xié)助完成。

1. 數(shù)據(jù)收集：采用薄層CT掃描和磁共振，運(yùn)用PHILIP或SOMATOM Definition AS+進(jìn)行掃描。

2. 電腦數(shù)據(jù)3D模型建立：對于胸部CT薄層掃描、胸部MR平掃+增強(qiáng)掃描，結(jié)果均采用Materialise公司軟件Mimics(materialise’s interactive medical image control system)軟件處理。將CT、磁共振等采集到的DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics，由于整個胸部區(qū)域內(nèi)包含皮膚、皮下組織、肌肉、腫瘤、骨骼及胸廓內(nèi)心肺等多種組織，需對影像數(shù)據(jù)內(nèi)的興趣區(qū)域進(jìn)行可視化半自動分割提取并配準(zhǔn)，數(shù)據(jù)化處理，建立電腦數(shù)據(jù)3D模型。2例患者均針對各自病變，對心臟、大血管、肋骨、肋軟骨、胸骨和胸壁腫瘤進(jìn)行了數(shù)據(jù)半自動分割和三維重建。并根據(jù)胸骨、肋骨的性狀和腫瘤侵蝕范圍，在計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字化輔助腫瘤切除術(shù)方案的設(shè)計。

3. 實(shí)體3D模型建立：將腫瘤與周邊重要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提取后，導(dǎo)入Magics 3D打印系統(tǒng)，在模型滿足打印要求的情況下打印出模型。打印出的模型用不同顏色清楚、立體地顯示了病變與周圍重要結(jié)構(gòu)間的關(guān)系及病變部位、范圍。用打印出的模型做術(shù)前討論及術(shù)前談話。

4. 虛擬模型的建立及手術(shù)預(yù)演：將腫瘤與周邊的重要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過電腦輸入微軟hololens全息眼鏡，數(shù)據(jù)化處理后，測試既允許用戶看到真實(shí)世界，同時也能看到疊加在真實(shí)世界上的虛擬對象，能把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來，兩種環(huán)境相互補(bǔ)充、疊加。完成數(shù)據(jù)加載后在電腦上進(jìn)行了手術(shù)預(yù)演、討論。

5. 手術(shù)

(1) 病例1：借助VR+AR+MR結(jié)合術(shù)中所見，于2017年2月15日完成了我國首例VR聯(lián)合AR下胸壁腫瘤切除加胸壁重建手術(shù)(圖1)。首先，在裸眼和VR+AR+MR技術(shù)下確定腫塊情況，切開皮膚及游離皮瓣和(或)切除表面肌肉及至胸骨和肋骨；再次裸眼和VR+AT技術(shù)下確定切除邊緣。在VR+AR+MR的協(xié)助下，手術(shù)順利，術(shù)中行快速冷凍病理檢查：(腫塊)符合神經(jīng)鞘瘤，(切緣)未見癌。術(shù)后切除標(biāo)本與模型對比，發(fā)現(xiàn)VR+AR+MR技術(shù)所確定的手術(shù)邊緣比裸眼確定的手術(shù)邊緣更精準(zhǔn)，全息眼鏡所見與實(shí)際病變完全吻合。術(shù)中主刀醫(yī)師不僅可以在現(xiàn)實(shí)下直接觀察腫瘤的表面形態(tài)、大小等實(shí)際情況，而且可以在VR+AR+MR技術(shù)虛擬的圖像上精準(zhǔn)判斷腫瘤需切除的范圍以及腫瘤深面與心臟、肝臟的距離等，手術(shù)難度及手術(shù)風(fēng)險大大降低。

(2) 病例2：方法同病例1。借助VR+AR+MR結(jié)合術(shù)中所見，完成了VR聯(lián)合AR下胸壁腫塊擴(kuò)大切除+胸壁重建+左側(cè)鎖骨切除+右側(cè)腓骨代替左鎖骨重建術(shù)。術(shù)中行快速冷凍病理檢查：(切緣)未見癌。在VR+AR+MR的協(xié)助下，手術(shù)進(jìn)行得非常順利，VR+AR+MR與實(shí)際病變完全吻合。術(shù)中主刀醫(yī)師不僅可以在現(xiàn)實(shí)下直觀地大致觀察腫瘤表面形態(tài)、大小等實(shí)際情況，而且可以在VR+AR+MR虛擬的圖像上精準(zhǔn)判斷腫瘤需切除的范圍、腫瘤血運(yùn)、腫瘤侵犯左第1肋部位，同時借助AR虛擬圖像可精準(zhǔn)判斷出腫瘤深面累及左無名靜脈及左鎖骨下動脈的部位及長度等，從而設(shè)計手術(shù)方案，手術(shù)難度及手術(shù)風(fēng)險大大降低。

結(jié) 果

2例患者均手術(shù)順利，術(shù)后恢復(fù)良好出院。

病例1患者常規(guī)病理回報顯示，(胸壁腫塊、骨背面、骨表面、腫瘤與骨連接處)結(jié)合免疫組織化學(xué)檢測結(jié)果，符合神經(jīng)鞘瘤，部分細(xì)胞生長活躍，(切緣)未見癌。

病例2患者常規(guī)病理回報顯示，術(shù)后病理：①(左胸壁病灶)結(jié)合病史符合纖維瘤術(shù)后復(fù)發(fā)，瘤組織浸潤肌肉及骨組織；②切緣未見瘤侵犯；③8個(鎖骨部)淋巴結(jié)均未見惡性。

討 論

臨床上常見的原發(fā)胸壁腫瘤病理類型主要是骨與軟組織肉瘤[2]，目前臨床對于巨大胸壁腫瘤術(shù)后缺損的修補(bǔ)及重建主要參照胸壁肋骨缺損重建方法來完成。修復(fù)的方法較多，如異體骨、自體骨移植、肌瓣、皮瓣、大網(wǎng)膜、鋼板、鈦網(wǎng)、鈦板或Marlex網(wǎng)[3，4]、骨水泥+prolene網(wǎng)等。Fang等[5]結(jié)合prolene網(wǎng)、骨水泥、肌皮瓣的方法成功修復(fù)6例胸腹壁聯(lián)合缺損病例；并且有研究[6]報道了3D打印材料置入物應(yīng)用于胸壁重建。基于VR+AR+MR技術(shù)的胸壁腫瘤切除及重建手術(shù)結(jié)合了3D打印材料的個性化定制，以及VR+AR+MR技術(shù)的手術(shù)精確性等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 病例2患者術(shù)前檢查和VR+AR+MR技術(shù)在手術(shù)中的應(yīng)用。A. 術(shù)前照片；B. 術(shù)前CT掃描影像；C. 術(shù)前MRI檢查結(jié)果；D. 電腦3D模型；E. 實(shí)體模型；F. 全息眼鏡下所見腫塊示意圖；G. 全息眼鏡下所見腫塊示意圖

一、 VR+AR+MR技術(shù)

1. VR：也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三度空間的虛擬世界，提供用戶關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般，可以及時、無限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。用戶進(jìn)行位置移動時，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的三維世界視頻傳回，產(chǎn)生臨場感。

2. AR：也稱為人機(jī)互動技術(shù)。它通過電腦技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時地疊加到同一個畫面或空間，對于現(xiàn)實(shí)目標(biāo)通過疊加虛擬景象產(chǎn)生類似于X線透視的增強(qiáng)效果。

3. MR：是VR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)通過在現(xiàn)實(shí)場景呈現(xiàn)虛擬場景信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互和信息的及時獲取。系統(tǒng)通常采用三個主要特點(diǎn)：①結(jié)合虛擬和現(xiàn)實(shí)；②在虛擬的三維(3D)注冊；③實(shí)時運(yùn)行。

二、 VR+AR+MR技術(shù)的應(yīng)用價值

胸壁腫瘤由于周圍有較厚的軟組織和骨骼系統(tǒng)，且少數(shù)腫瘤向胸腔內(nèi)凸起生長常易被忽視。病理狀態(tài)下，因解剖異常、胸部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、深部重要器官及大血管多且彼此重疊，普通CT及磁共振檢查等2D平面圖像難以直觀再現(xiàn)空間形態(tài)與關(guān)系，術(shù)前往往很難精準(zhǔn)評估病變周圍重要結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，術(shù)中因胸壁骨性結(jié)構(gòu)固定亦較難顯示腫瘤深面重要組織結(jié)構(gòu)，難以完美滿足診治要求。VR+AR+MR輔助設(shè)計是目前全球熱門的前沿技術(shù)，被認(rèn)為可以適用于任何領(lǐng)域，尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將在“數(shù)字化、遠(yuǎn)程化、精準(zhǔn)化、個性化”這四個未來發(fā)展的大方向中逐漸嶄露頭角。VR+AR+MR技術(shù)將原本不同檢查無法融合的2D平面圖像，通過電腦數(shù)據(jù)化處理及導(dǎo)入，做到不同檢查之間數(shù)據(jù)共享及精準(zhǔn)3D成像，隨意切換視角進(jìn)行觀察，方便手術(shù)團(tuán)隊(duì)的觀察。此外，模型的建立對于沒有知識背景的患者及家屬而言，能直觀地了解病變情況，也更容易進(jìn)行術(shù)前溝通和手術(shù)方案展示，獲得良好的依從性。就本文2例患者而言，借助VR+AR+MR技術(shù)，手術(shù)團(tuán)隊(duì)術(shù)前均在電腦上進(jìn)行了手術(shù)預(yù)演、討論，并就可能發(fā)生的并發(fā)癥做出備選手術(shù)預(yù)案。在VR+AR+MR技術(shù)支持下，主刀醫(yī)師對于現(xiàn)實(shí)目標(biāo)通過疊加虛擬景象產(chǎn)生類似于X線透視的增強(qiáng)效果，將原本現(xiàn)實(shí)中無法看見的腫瘤深面與重要組織之間的關(guān)系顯示在主刀醫(yī)師佩戴的hololens全息眼鏡上，將病變范圍及切除范圍精確至毫米級，在提高手術(shù)成功率的同時縮短了手術(shù)時間。本方法對于不同患者可取得個性化的手術(shù)設(shè)計，盡可能精準(zhǔn)地切除病變組織，為3D打印材料精準(zhǔn)置入提供了安全保障；同時，也盡可能保留正常組織，減少患者的手術(shù)創(chuàng)傷。

三、 VR+AR+MR技術(shù)的應(yīng)用前景、困難及不足

1. 應(yīng)用前景：VR+AR+MR技術(shù)為臨床提供了一種新的臨床影像學(xué)展示方法，能使醫(yī)患之間、醫(yī)師之間交流更加方便、快捷，患者取得良好的依從性；同時能在術(shù)中將病變范圍及切除范圍精準(zhǔn)至毫米級，取得個性化手術(shù)設(shè)計，為手術(shù)安全保駕護(hù)航。

2. 困難和不足。①本技術(shù)的數(shù)據(jù)采集及處理要求較高：VR+AR+MR虛擬模型質(zhì)量與影像學(xué)掃描參數(shù)有關(guān)，如影像學(xué)資料精準(zhǔn)度稍差，則模型的建立不夠精細(xì)，對臨床的指導(dǎo)作用不大。CT和MRI不同檢查的數(shù)據(jù)融合困難；同時，由于胸廓隨著呼吸運(yùn)動而活動，對原始2D數(shù)據(jù)的收集及處理后，再進(jìn)行可視化半自動分割提取并配準(zhǔn)，數(shù)據(jù)化處理建立虛擬模型，會受到運(yùn)動偽影、掃描時間、造影顯影等影響，對后期數(shù)據(jù)的處理及模型建立帶來巨大的挑戰(zhàn)。②由于從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)體模型建立、虛擬模型建立直至最后手術(shù)，要求跨專業(yè)、知識面廣，外科醫(yī)師工作量大、精力有限。解決這一矛盾需外科學(xué)、影像學(xué)、3D打印專業(yè)間的橫向合作。③費(fèi)用昂貴：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)MIMICS注冊費(fèi)用及微軟hololens全息眼鏡購買費(fèi)用較高，且信息穩(wěn)定性和圖像調(diào)整速度有待進(jìn)一步提高；實(shí)體3D模型建立，常采用塑料類和(或)樹脂類材料打印，材料價格昂貴。

目前VR+AR+MR技術(shù)雖然剛剛應(yīng)用于臨床，但是隨著科技的發(fā)展、材料的更新，醫(yī)療數(shù)據(jù)化、精準(zhǔn)化、個體化進(jìn)程，以及患者的需求，該技術(shù)在胸外科乃至外科系統(tǒng)的臨床應(yīng)用會有廣闊的發(fā)展空間。

參 考 文 獻(xiàn)

1 張?zhí)m軍，李偉陽，蘇曉東，等.生物材料人工胸壁重建巨大胸壁缺損(附5例報告)[J]. 第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報, 2007, (24):2259-2262.

2 Tukiainen E. Chest wall reconstruction after oncological resections[J]. Scand J Surg, 2013,102(1):9-13.

3 Berthet JP, Wihlm JM, Canaud L, et al. The combination of polyterafluoroethylene mesh and titanium rib implants: an innovative process for reconstructing large full thickness chest wall defects[J]. Eur J Cardiothorac Surg, 2012,42(3):444-453.

4 Rocco G,Fazioli F, La Manna C, et al. Omental flap and titanium plates provide structural stability and protection of the mediastinum after extensive sternocostal resection[J]. Ann Thorac Surg, 2010, 90(1):e14-e16.

5 Fang L, Chen YJ, Wu GY, et al. Ribs formed by prolene mesh, bone cement and muscle flaps successfully repair chest abdominal wall defects after tumour resection: a long-term study[J]. Chin Med J (Engl), 2017,130(12):1510-1511.

6 石磊，全磊，肖高明. 一種3D打印鈦合金胸骨替代件[P]. 湖南：CN205126500U，2016-04-06.