【综述】全息影像三维可视化技术在肾肿瘤保留肾单位手术中应用的研究进展

引用本刊

高亮,陈捷,孙庭,等. 全息影像三维可视化技术在肾肿瘤保留肾单位手术中应用的研究进展[J].中华泌尿外科杂志,2020,41(12):949-952. 

DOI:10.3760/cma.j.cn112330-20200609-00456.

肾细胞癌是临床上较常见的泌尿系统肿瘤之一，其发病率在国内外均呈逐年上升趋势^[1-2]。目前，肾癌公认的治疗手段以经典的根治性肾切除术（radical nephrectomy，RN）和保留肾单位手术（nephron-sparing surgery，NSS）为主。NSS由于能够最大限度地保留正常肾组织和减少慢性肾病的发生和进展风险，在近年的临床工作中已作为一种重要的治疗方式而得到认可^[3]。有研究结果表明，对于T₁期的局限性肾癌，NSS的肿瘤控制效果与RN相当，其安全性和有效性已得到广泛证实^[4]。但同时NSS也存在学习曲线长、操作难度大、手术并发症较多等一系列问题。尤其是对R.E.N.A.L.评分≥7分的复杂性肾肿瘤行NSS，其出血、缺血再灌注损伤、尿瘘、切缘阳性等并发症发生率将明显增加^[5]。因此，如何在提高手术安全性的同时最大限度地保留肾单位，是临床上面临的一大难题。因此，国内外多家医疗中心将全息影像三维可视化技术应用于NSS术中，以达到提高手术技巧、缩短学习曲线、降低手术难度这一目标。本文就全息影像可视化技术在肾肿瘤行NSS中的应用及研究进展作一综述。

一、全息影像三维可视化技术的应用

全息影像技术是利用超声波、电子波、X射线等的干涉和衍射原理，对真实物体进行记录后处理为全息图像，并通过三维成像技术将传统的二维图像制作成高清晰度、超强色域、立体感强的三维影像^[6]。采用全息影像技术进行手术时，通过全息投影的方式将虚拟的信息投影到真实环境，使虚拟的物体实时地叠加到现实空间，在这个三维环境中术者的操作视野不仅得到明显加强，而且可以看到视觉以外的三维结构图^[7]。目前，全息影像可视化技术在外科领域的应用方兴未艾，不论是在病变诊断、手术规划还是在教学方面都展现出明显的优势^[8-11]。全息影像可视化技术在NSS中的应用主要有以下几个方面。

1.三维可视化肾脏模型构建：通过患者CT或MRI的DICOM格式薄层图像，再由有经验的泌尿外科和影像科医生共同构建全息影像三维可视化模型，模型主要包括3个重要的解剖图像：半透明的肾脏、颜色渲染的肾肿瘤和肾内外动脉^[12]。模型可以使用相关软件读取并进行调节，如任意角度旋转、缩小、放大、测量计算以及对组织进行选择性拆分，帮助手术医生术前全方位、多角度观察肾脏、肿瘤、血管、集合系统以及周围组织器官的空间立体结构^[13]。

2.虚拟现实手术模拟：在全息影像模拟的三维立体空间中，术者借助手术器械在虚拟的环境中模拟手术过程，如确认肿瘤位置和需阻断的目标肾动脉，模拟肿瘤的切除与缝合等一系列操作^[14]。通过模拟手术过程中的情景，使术者对肿瘤、周边血管位置等解剖结构产生直观的认识，提前预知手术过程中可能出现的突发情况，手术时做到心中有数，临危不乱。

3.术中实时导航：术前将三维可视化模型导入相应的辅助导航系统，由助手将已渲染的肿瘤边缘、可视化的肾内外动脉与术中实际图像进行匹配。那彦群等^[15]发明了一种基于CT/MRI数据的三维模型和内镜影像融合方法，将三维模型图像与内镜的手术影像位置重合、动态同步，可以进行精准定位引导。术者通过观看现实情景与虚拟影像所叠加成的三维画面，手术时做到提前预判肾蒂血管走行、肿瘤位置、肿瘤切除的安全范围，从而进行精准定位和显微解剖，有效地避免了手术的盲目性。尤其对于内生型的复杂性肾肿瘤，使用全息影像可视化技术的实时导航能起到安全、便捷、高效的作用^[16]。

4.医患沟通：在术前向患者解释病情和治疗方案时，医生可借助经过特殊颜色渲染后的肾肿瘤三维模型，通过旋转、放大、缩小、拆分等功能向患者介绍肿瘤位置及手术的关键区域，指出术中可能存在的风险。通过三维立体可视化模型的立体化效应，医生术前谈话时能够更直观、高效地向患者解释病情，患者也能更直观地了解自身的肾脏结构和病变情况，可能更加有利于医患双方的相互理解，提高医患沟通的效率^[17]。

二、全息影像三维可视化技术辅助的精准手术计划

目前，随着精准外科理念的提出，图像引导的干预对于肾肿瘤NSS至关重要，其目的是使NSS向更准确、更精细、更微创的手术模式发展。而在传统的CT影像中肾脏、肿瘤等结构均呈不透明实性的二维图像，观看时只能做一定角度的调整，缺乏立体空间感，术前难以精准定位肿瘤位置。尤其对于肾门处、内生型等位置特殊的复杂性肾肿瘤，传统的CT影像很难全面获取肿瘤与肾脏、动静脉、集合系统之间的信息。研究结果显示，复杂性肾肿瘤往往和肾门血管、集合系统毗邻密切，术前明确三者的解剖关系对于复杂性肾肿瘤能否行NSS至关重要^[18]，而通过三维可视化模型的特殊功能术者可充分了解肿瘤与周围组织的关系，制订合理的手术方案。

1.精准定位内生型肿瘤位置：全息影像三维可视化模型中肾脏呈半透明状态，并且肾脏、肿瘤、动静脉、集合系统分别经过不同颜色渲染^[19]。肾脏的半透明状态赋予该模型特殊的可视化效果，使肿瘤和动静脉、集合系统三者之间的空间关系一目了然。通过精确的图像数据建立起三维可视化图像能够使术者术前获得更全面的肿瘤信息，制订准确的手术方案。手术时由助手将三维可视化模型导入导航系统与术中实际图像相融合进行实时导航，便于定位肿瘤位置和肿瘤切除的安全范围。该技术对于内生型的复杂性肾肿瘤的精准定位、完整切除和降低切缘阳性率具有重要价值。孙圣坤等^[20]应用数字化肾脏模型定位完全内生型肿瘤，结果表明该模型与术中实体高度吻合。武鹏等^[21]应用全息影像可视化实时导航技术完成了15例完全内生型肾肿瘤的NSS，术中融合图像与肿瘤位置高度一致，术后病理检查提示切缘均为阴性，这表明该技术可以有效地降低完全内生型肿瘤因定位困难而导致切缘阳性的发生率。杨悦等^[22]利用三维立体成像导航技术完成11例肾门处肿瘤的NSS，所有病例均一次性准确定位肿瘤，平均热缺血时间24 min，所有手术均顺利完成，无损伤肾蒂血管及切缘阳性等并发症。Lasser等^[23]通过使用三维可视化模型完成了10例肾肿瘤的机器人辅助腹腔镜肾部分切除术（robot-assisted laparoscopic partial nephrectomy，RALPN），结果表明术前的三维重建影像与术中解剖关系具有极好的相关性，所有手术均顺利完成。Chen等^[24]通过建立肾肿瘤三维模型和术中实时导航技术，顺利实施了15例内生型肿瘤的腹腔镜肾部分切除术（laparoscopic partial nephrectomy，LPN），热缺血时间16～32 min，术后病理检查证实手术切缘均为阴性，所有患者随访1年未见肿瘤复发。

2.精准的空间测量：肾肿瘤的治疗能否采取NSS不仅取决于肿瘤的大小，与肿瘤的位置、生长方式等均密切相关。有研究结果表明，肾门处肿瘤行NSS的难度较大，容易发生出血和尿瘘并发症^[25]。主要原因是分离肿瘤过程中易损伤肾门血管或集合系统，加之术中分离时的渗血造成视野不清晰更加大了手术的风险。因此，全面评估肿瘤的位置尤为重要，而高精度的三维可视化模型拥有强大的交互功能，通过精准测量肿瘤的大小、体积，标记肿瘤边界，实现最大限度保留正常肾组织，可以判断肿瘤有无侵犯集合系统，计算肿瘤切除后需要修补缝合的肾脏缺损面积，规划缝合方案，明确缺损的基底部距集合系统距离及创面周围的血管走行，避免出现缝合过深或过浅引起的术后肾积水、创面渗血和肾脏血供受损等并发症。

3.识别变异肾动脉及选择性阻断肾动脉分支：传统的双肾动脉CTA图像中肾脏、肿瘤、动静脉呈不透明实体状态。术者只能看到肾脏以外的血管走行，无法看到直接供应肿瘤的血管及其分支来源^[26]。但在三维可视化肾脏模型中，术者可以看到肾脏内部直接供应肿瘤的血管及其分支，使选择性阻断肾动脉分支的NSS成为可能。Furukawa等^[27]在三维可视化模型和实时导航技术辅助下完成了17例选择性肾动脉分支阻断的RALPN，术中出血量10～140 ml，术后第1周和第4周肾小球滤过率仅下降了8.2 ml/（min·1.73 m²）和9.4 ml/（min·1.73m²）。Bianchi等^[28]的一项前瞻性研究结果显示，与传统的CT引导下NSS相比，三维可视化模型组中实施选择性肾动脉阻断的比例更高（57.1%与13.3%），不仅有效地保护了肾功能，而且不增加术中及术后的出血风险。

三、全息影像三维可视化技术在NSS中的优势

1.缩短热缺血时间：尽管目前尚无关于肾脏热缺血时间的标准范围，但绝大多数学者认同过长的手术热缺血时间势必会给肾功能带来严重损害^[29-30]。因此，在阻断肾动脉后，应尽快完成肿瘤的切除和缝合，以尽早恢复肾脏正常血供至关重要。多项研究结果表明，全息影像可视化技术辅助的NSS与传统CT辅助的NSS相比，在缩短热缺血时间和保护肾功能方面更具优势。Porpiglia等^[31]对52例PADUA评分≥10分的复杂性肾肿瘤行RALPN，其中31例在三维可视化模型辅助下完成手术，21例在传统CT影像辅助下完成手术，结果表明三维可视化模型组中在处理肾动脉阻断时更多地进行了选择性肾动脉分支阻断（42.9%与6.5%），术中发生整体缺血的病例明显低于传统CT影像组 （23.8%与80.6%）。Rocco等^[32]通过三维可视化模型对10例复杂性肾肿瘤进行术前评估，并且术中导航下完成RALPN，通过该模型可清晰定位肿瘤位置与供应血管间的关系，平均热缺血时间（17.0±9.1）min，有效地缩短了热缺血时间。

2.缩短手术时间和减少并发症：Wang等^[33]对43例肾肿瘤患者LPN疗效进行比较，其中21例采用影像融合实时导航技术辅助，23例未采用实时导航技术，结果显示实时导航组的手术时间更短（159.0 min与193.2 min），且术中出血量更少（148.1 ml与176.1 ml）。Wu等^[34]的研究结果表明，采用三维可视化模型相比传统的CTA图像辅助下的LPN更有利于缩短手术时间和减少失血量，这可能与三维可视化模型组能更准确地显示肿瘤与直接供应动脉之间的解剖关系有关。Wang等^[35]分别对49例和45例接受三维可视化模型及实时导航技术辅助的LPN和未接受该技术辅助的LPN的肾肿瘤患者进行了疗效对比，初步结果表明两组的选择性肾动脉阻断率、热缺血时间、失血量、手术并发症、术后肾功能变化均无显著差异，但在R.E.N.A.L评分≥8分的亚组中选择三维可视化模型技术辅助的LPN手术时间明显更短[（126.7±36.4）min与（154.0±34.7）min]，且术后漏尿发生率也更低（0与22.2%），这可能意味着全息影像可视化技术对于R.E.N.A.L.评分较高的复杂性肾肿瘤行NSS时会起到更安全、便捷、高效的作用。我们认为这主要归因于三维可视化模型的“透视眼功能”，通过术前规划明确肿瘤位置、测量肿瘤的大小、辨认肾蒂血管走行、识别肿瘤与目标动脉的关系，提前预知术中情况，再配合全息影像腹腔镜手术融合系统将已重建的三维图像与现实手术融合进行定位导航，术者无论在术前还是术中均可观看立体影像，指导术中操作，无疑使NSS更安全、精准、高效地完成。

四、展望

全息影像三维可视化技术应用于肾肿瘤NSS，能够使术者对肾脏、肿瘤、肾内外血管及周围组织结构的三维结构有更加直观的认识。这些信息对术前选择治疗方案、评估手术风险、术中精准定位肿瘤、选择性阻断目标动脉、完整切除肿瘤、保护肾功能和减少手术并发症等具有重要临床价值。但是，全息影像三维可视化技术研究尚处于基础阶段，目前仍有许多问题制约着该技术的全面开展，如全息影像三维可视化模型如何自动识别术中实际图像进行融合从而达到实时导航，以及如何解决患者特殊手术体位、呼吸波动与术者操作引起的术中融合图像发生偏移等问题，这些都是该技术亟需改进的地方。面对全息影像可视化技术强大的应用优势背景，我们相信这些问题都会得到解决。全息影像三维可视化技术将使泌尿外科疾病的诊断和治疗向更加精准的方向前进，进一步推动微创外科和精准外科治疗的创新与发展。