混合现实辅助根治性内窥镜甲状腺切除术

摘要

根治性内窥镜甲状腺切除术与各种手术并发症有关。本研究利用混合现实技术协助外科医生进行根治性内窥镜甲状腺切除术，旨在提高其安全性并降低手术门槛。

摘要

与开放手术相比，根治性内窥镜甲状腺切除术 （ET） 提供卓越的美容效果和增强的手术区域的可见性。然而，甲状腺独特的生理功能和错综复杂的周围解剖结构可能会导致各种手术并发症。混合现实 （MR） 是一种实时全息可视化技术，支持在现实世界中创建高度逼真的 3D 模型，并促进多种人机交互。MR 可用于术前评估和术中导航。首先，使用 3Dslicer 从增强的计算机断层扫描图像中对颈部进行半自动 3D 重建。接下来，将 3D 模型导入 Unity3D 以创建可在 MR 头盔式显示器 （HMD） 上显示的虚拟全息图。在手术过程中，外科医生可以佩戴 MR HMD 通过虚拟全息图定位病变和周围解剖结构。在本研究中，需要根治性 ET 的患者被随机分配到实验组或对照组。外科医生在实验组中进行了 MR 辅助根治性 ET。对手术结局和量表结果进行了比较分析。本研究成功开发了颈部 3D 模型和虚拟全息图。根据 NASA 任务负荷指数量表，与对照组相比，实验组的“自身表现”得分明显较高，而“努力”得分明显较低 （p = 0.002）。此外，在李克特主观评价量表上，所有问题的平均分都超过 3。虽然实验组手术并发症的发生率低于对照组，但手术结局的差异并未统计学 significant.MR 有利于提高围手术期的表现和减轻外科医生的负担。此外，MR 已证明具有提高 ET 安全性的潜力。因此，必须进一步研究 MR 的手术应用。

引言

在过去十年中，全球甲状腺结节的发病率已上升至 29.29%，与前十年相比增加了 7.76%。这一趋势使甲状腺结节成为最普遍的疾病之一¹。同时，甲状腺癌的发病率已达到 20/100,000，在所有癌症中排名第七，在女性中排名第三。根治性手术仍然是首选的治疗方法²。

甲状腺切除术可分为开放手术、内窥镜手术和机器人手术。内窥镜甲状腺切除术 （ET） 是一种整容手术形式，它利用内窥镜器械的长度，通过在乳晕、腋窝、口腔和其他隐蔽区域制造的切口创建皮下隧道，从而促进颈部无疤痕的外观。这种方法对女性特别有吸引力，她们占甲状腺癌患者的大多数³。然而，从手术的角度来看，ET 仍然需要进一步优化。首先，ET 面临手术空间有限和缺乏触觉反馈的挑战，这使手术复杂化并导致学习曲线延长⁴。其次，甲状腺具有特殊的生理功能和复杂的局部解剖结构，使 ET 容易出现严重的并发症，例如甲状旁腺功能减退症和喉返神经 （RLN） 损伤⁵。此外，甲状腺癌常表现为隐匿性淋巴转移，颈部淋巴结清扫不完全可能会进一步增加术后淋巴复发的风险⁶，导致部分患者需要二次甚至多次手术。

人工智能 （AI） 是一个新兴领域，旨在通过计算机算法模拟和增强人类智能。扩展现实 （XR） 是一类 AI 技术，可以实时提供高度逼真的视听信息，特别适用于外科手术应用⁷。混合现实 （MR） 是 XR 的一个子集，它将虚拟全息影像与现实世界的实体集成在一起，使用户能够在现实和虚拟环境之间无缝交互⁸。三维 （3D） 重建是一种计算机图形技术，可将由像素组成的二维 （2D） 图像转换为由体素组成的 3D 模型。3D 模型的呈现至关重要，MR 在手术中的主要应用包括显示由断层扫描图像构建的 3D 模型，例如计算机断层扫描 （CT） 和磁共振成像 （MRI）。

在这项研究中，MR 被用于辅助根治性 ET，目的是提高其疗效和安全性，同时降低手术复杂性。符合特定纳入和排除标准的甲状腺癌患者被随机分配到实验组或对照组。实验组接受 MR 辅助根治性 ET。对两组手术结局进行比较分析。此外，采用美国国家航空航天局任务负荷指数量表 （NASA-TLX） 和李克特主观评定量表评估 MR 辅助 ET 对外科医生的影响。NASA-TLX 被公认为主观工作量评估的黄金标准，包括六个维度：心理需求 （MD）、身体需求 （PD）、时间需求 （TF）、自身表现 （OP）、努力 （EF） 和挫折 （FR）⁹。每个维度都按照 0 到 100 的等级进行独立评级。李克特主观评定量表包括一系列问题，有五个回答级别，从非常满意（5 分）到非常不满意（1 分），中间级别为满意（4 分）、可接受（3 分）和不满意（2 分）。

研究方案

该协议遵循中山大学人类研究伦理委员会的指导方针。由于这种治疗是在常规临床护理中进行的，因此不需要特定的伦理批准。

1. 3D重建

1. 将颈部增强 CT 扫描的 DICOM 数据导入 3DSlicer¹⁰，窗口宽度为 350 Hounsfield 单位 （胡） 和 40 胡 窗口级别。
2. 使用半自动方法分割和重建颈部 3D 模型。
   1. 使用 Threshold 和 Hollow 函数分割和重建皮肤。首先，使用 阈值 函数为大于 -250 胡 的 CT 值创建分段。然后，利用 Hollow 函数删除此分割的内部。
   2. 使用基于动脉或静脉期图像的 Grow from seeds 功能分割和重建甲状腺、病变、气管和食管。在横截面、矢状和冠状图像中手动描绘目标结构内的种子。然后，使用 Grow from seeds 函数自动生成目标分段。
   3. 使用基于普通扫描图像的 Threshold 函数分割和重建骨骼。为超过 200 胡 的 CT 值创建此分段。
   4. 使用基于动脉期图像的 Local threshold 函数分割和重建动脉。在冠状图像中手动描绘动脉内的种子。随后，使用 Local threshold 函数创建具有与种子一致的 CT 值范围的分段，并重复该过程以逐渐扩展分段。
   5. 使用基于静脉期图像的 Local threshold 函数分割和重建静脉。使用与上一步中描述的作相同的特定作。
3. 使用体积渲染自动重建颈部 3D 模型。
   1. 在体积渲染模块中选择动脉期图像或静脉期图像。
   2. 选择最佳的自动重建方案，通常是冠状动脉增强 CT 重建方案，强调可视化甲状腺上血管和下血管。
   3. 通过精确调整感兴趣区域来最大限度地减少不必要的重建。

2. 构建颈部虚拟全息图

1. 从 3DSlicer 将半自动重建的颈部 3D 模型导出为 OBJ 文件。
2. 使用混合现实工具包 （MRTK） 在 Unity3D 中创建新项目并配置必要的组件。
   1. 利用 Box collider （盒体碰撞器 ） 组件添加控制边框。
   2. 使用 Cursor Context Object Manipulator （光标上下文对象纵器 ） 组件实现可移动光标。
   3. 通过 Object纵器、Near 交互 Grabbable 和 Min Max Scale Constraint 组件添加移动、缩放和旋转功能。
   4. 通过使用 Slider Transparency Controller 组件启用透明度控制。
3. 将 OBJ 文件导入项目，并将上述组件与颈部 3D 模型相关联。
4. 使用 Holographic Remoting 程序在 MR 头戴式设备 （HMD） 上调试颈部虚拟全息图，然后从 Unity3D¹¹ 打包和导出项目。
5. 使用 Visual Studio 程序将颈部虚拟全息影像安装到 MR HMD 上。

3. MR 设备作

1. 手术前佩戴 MR HMD，或让循环护士在手术期间协助佩戴 HMD。
2. 使用 MR HMD作颈部虚拟全息影像。
   1. 使用 Grab 手势控制颈部虚拟全息影像的移动、缩放和旋转。
   2. 通过拖动相应的虚拟滑块来调整颈部虚拟全息影像的透明度。
   3. 将颈部虚拟全息图与患者的位置对齐，确保下颌骨和锁骨等解剖标记正确对齐。
3. 将颈部 CT 图像、超声检查和实验室检查结果等临床数据导入 MR HMD，以便在手术过程中随时访问这些信息。
4. 通过语音命令控制 HMD 以捕获 MR 图像和视频。
5. 通过 Wi-Fi 连接通过 MR HMD 共享第一人称视角。

4. 术前阶段

1. 纳入标准
   1. 包括最大直径为 3 cm 的甲状腺状癌 （PTC） 患者≤。
   2. 包括表达对美感要求的患者。
2. 排除标准
   1. 排除不能耐受手术或全身麻醉的患者。
   2. 排除表现出甲状腺外浸润或 PTC 远处转移的患者。
   3. 排除有甲状腺手术、消融或放射性碘治疗史的患者。
   4. 排除胸部或锁骨畸形患者。
   5. 排除甲状旁腺功能减退症或声带功能障碍患者。
3. 辅助检查
   1. 进行颈部增强 CT 和超声检查，以评估 PTC 及其周围解剖结构。
   2. 进行胸片检查、心电图、全血细胞计数、肝肾功能检查和凝血功能检查，以排除任何绝对的手术禁忌证。
   3. 进行甲状腺和甲状旁腺功能检查，以及甲状腺球蛋白水平。
   4. 进行纤维喉镜检查以评估声带功能。
4. 术前准备
   1. 禁食患者 10 小时并静脉注射葡萄糖盐水或林格氏溶液。
   2. 静脉注射咪达唑仑、异丙酚、舒芬太尼和阿曲库铵以诱导全身麻醉，然后经口气管插管。避免在麻醉的维持阶段使用肌肉松弛剂。
   3. 进行导尿管插入术。
   4. 连接术中神经监测 （IONM） 设备。
   5. 将患者置于分腿配置中，并通过将头部向后倾斜来伸展他们的脖子。将内窥镜系统放置在患者头部前部。

5. 外科手术（乳房入路）

1. 对手术区域进行消毒，放下无菌手术巾，连接内窥镜、电凝钩、抽吸装置和超声刀。
2. 确定位于连接双侧的线中点右侧 2 cm 处的观察孔。皮下注射膨胀液并使用剥离棒解剖。
3. 放置一个 10 mm 穿刺器并引入二氧化碳，以建立一个内部压力保持在 6 mmHg 以下的作空间。
4. 使用两个乳晕的上边缘作为作通道。在 30° 腹腔镜观察下，用两根 5 毫米或 10 毫米套管针解剖两侧的皮下腔。插入超声刀和无镊子，将皮下空间向颈部前部延伸。
5. 分离宫颈白线以释放甲状腺。用缝合线悬吊带状肌肉以扩大视野。
6. 将碳纳米颗粒注射到甲状腺中，使其和颈部淋巴结染色。
7. 断开甲状腺峡部，露出气管并分离甲状腺悬韧带。
8. 使用超声刀凝固甲状腺上动脉和静脉、甲状腺下动脉和甲状腺中静脉。用可吸收夹固定较大的血管。
9. 如果 PG 被移除或其血液供应被破坏，则将 PG 自体移植到同侧胸锁乳突肌中。
10. 使用 IONM 探针识别 RLN 和喉上神经。用湿纱布保护神经，防止热损伤。
11. 小心分离并切除病变甲状腺，确保使用标本袋将其完全取出。
12. 在颈部中央区进行同侧淋巴结清扫术。如有指征，进行对侧甲状腺切除术和淋巴结清扫术。
13. 确保所有出血都得到彻底控制，并用无菌蒸馏水冲洗手术区域。在手术通道中插入引流管，逐层缝合切口。

6. 术后管理

1. 在患者返回病房时提供心电图监测和氧疗。随后，进行包括补液、静脉补钙、缓解疼痛、吸入药物治疗和清除痰液在内的治疗。如果需要，给予止血药物并开始物理治疗。
2. 术后第一天，停止心电图监测和氧疗，并拔除导尿管。患者可以恢复全食并每日口服左旋甲状腺素和钙。
3. 在术后第 2 天或第 3 天，取下引流管并准备让患者出院。
4. 指导患者在术后第 1 周以及术后 1 个月、3 个月、6 个月和 12 个月到门诊进行随访。常规检查甲状腺功能和甲状腺球蛋白水平，并进行颈部超声检查。

结果

本研究成功构建了 PTC 患者的颈部 3D 模型 （图 1） 并进行了 14 例 MR 辅助根治性 ET （图2）。

一名高级外科医生共进行了 32 例 ET，他在手术后完成了 NASA-TLX 和李克特主观评定量表 （表 1 和 表 2）。在 NASA-TLX 中，与对照组相比，实验组表现出显着更高的 OP 评分和更低的 EF 评分 （...

讨论

MR 是一种基于各种算法模型和传感设备的尖端 AI 技术。该协议的目的是利用 MR 协助自由基 ET。此外，关键程序是构建颈部 3D 模型和虚拟全息图。主观量表表明阳性结果，表明 MR 有利于外科医生轻松进行根治性 ET。此外，MR 在预防 ET 相关并发症方面表现出潜在优势。然而，小样本量限制了在所有手术结果中观察到的差异的显着性。

MR 用作颈部 3D 模?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
3DSlicer	Slicer		https://www.slicer.org/
HoloLens2	Microsoft		a type of mixed reality helmet mounted display https://www.microsoft.com/en-us/hololens/hardware#document-experiences