圖像引導肝腫瘤熱消融治療介入導航系統的研究現狀

宋姿偉，吳薇薇，吳水才*

（1.北京工業大學生物醫學工程系，北京 100124；2.首都醫科大學生物醫學工程學院，北京 100069）

0 引言

原發性肝癌是全球第七大常見的癌癥，嚴重危害人類的生命和健康。最新數據統計顯示，肝癌已經成為我國死亡率第二、發病率第四的癌癥[1]。肝切除、肝移植和局部消融術是目前臨床中最有效的肝癌根治性方法[2-3]。手術切除是治療肝癌的首選方法，但由于肝癌病癥隱蔽、早期發現困難、極易發生轉移，會導致手術切除困難或無手術適應證；肝移植是治療晚期肝癌的唯一有效手段，但臨床肝源缺乏、配型困難，術后也可能出現排斥反應[4-5]。據統計，只有約20%的肝癌患者可以通過肝切除、肝移植進行治療[6]。

隨著醫學成像技術的進步，早期肝癌的可檢測性得到提高，局部熱消融技術用于治療肝癌的方法也得到大力發展[7]。目前熱消融技術主要包括微波消融[8]、射頻消融[9]和激光消融[10]，治療過程可分為術前規劃、術中實施（穿刺）和術后評估3 個階段。圖像引導肝腫瘤（微波/射頻）熱消融治療已廣泛應用于臨床，在醫學影像數據（CT、MRI 等）的引導下將熱消融針經皮穿刺介入到腫瘤中心作為熱源，在一定時間內將腫瘤組織加熱到較高溫度達到腫瘤的完全性凝固壞死，從而在原位直接殺滅腫瘤。確保消融針精確介入腫瘤內部中心靶點是圖像引導肝腫瘤熱消融治療的關鍵，它直接影響到治療效果，但目前路徑規劃（消融針以何種最優路徑介入）和穿刺引導（實時掌握消融針在體內的位置）都依賴于臨床醫生的個人經驗，不僅規劃過程費時費力，而且往往難以兼顧多項臨床準則。另外，術中由醫生手持消融針直接穿刺，這對醫生專業技能也有較高要求。因此，減少在術前規劃中對醫生的過度依賴、提高在術中穿刺中的定位精度，是肝腫瘤熱消融治療中需要解決的問題。

近幾十年來，針對臨床治療中存在的問題，研究人員開發出影像引導手術、穿刺路徑規劃、立體定向導航、機器人輔助穿刺等諸多熱消融輔助技術和方法。這些輔助技術和方法一定程度上降低了消融手術對醫生穿刺經驗的依賴，避免了反復進針，從而減少了手術時間和輻射暴露，提高了熱消融的治療效果，有助于消融技術的推廣和發展。整合這些關鍵技術和方法構建熱消融穿刺治療介入導航系統，是該領域內的一個研究熱點[11]。

為此，本文綜述國內外圖像引導肝腫瘤熱消融治療介入導航系統的研究現狀及亟須解決的問題，并對近年來的發展趨勢進行展望，為相關研究提供新思路。

1 介入導航系統的研究現狀

介入導航系統是醫生在術前利用醫學影像設備獲取患者的醫學影像數據（CT、MRI 等），再對患者的多模態圖像進行處理獲得三維模型，從而制訂合理的手術計劃。在術中通過配準操作，將三維模型與患者的實際體位、手術器械的實時位置統一在一個坐標系下，再利用光學或電磁等定位系統，實時采集手術器械在空間中的位置并顯示在計算機設備上，醫生通過觀察三維模型中手術器械與病變部位的相對位置，對患者進行手術治療（如圖1 所示）。

圖1 CT 引導的電磁定位導航系統示意圖

在對肝腫瘤穿刺的過程中，穿刺位置的選取以及穿刺的深度等都會影響消融結果和腫瘤邊緣復發率，因此，需要保證精準的術中定位來實現熱消融凝固區適形覆蓋腫瘤。而且醫生通過術中定位技術來追蹤患者的手術部位、手術器械的物理坐標空間位置與姿態，提高了導航系統的精度。術中定位不僅為構建患者物理坐標打下了夯實的基礎，也為實現術中配準和術中器械追蹤定位創造了條件。

根據定位方式的不同，介入導航系統主要分為光學導航系統、電磁導航系統、超聲導航系統和基于增強現實（augmented reality，AR）的導航系統。

1.1 光學導航系統

光學導航是基于單目或多目視覺的原理，通過二維圖像信息計算物體空間的三維坐標實時對物體的空間位置進行定位，并對定位后的物體進行實時建模并在三維空間顯示。如今光學導航技術成熟且精度高，但需要確保光線傳播路徑順暢，操作者的活動范圍可能有限。加拿大NDI 公司在1996 年推出了Polaris 光學定位和跟蹤導航系統，該系統使用先進的光學測量技術來跟蹤附在手術工具上的標記，從而確定三維方向和位置，為手術工具定位提供了準確性和可靠性。Polaris 光學定位和跟蹤導航系統被超過90%的光學導航儀使用，該系統的平均誤差為0.35 mm，已經被認定為國際標準[12]。另外，該系統可以有效集成到肝腫瘤熱消融治療介入導航系統中，或者用于實驗驗證的對照標準。以NDI 公司制造的最先進的Polaris Vega 系統為例[13]，該系統的有效視場范圍覆蓋了整個人體，在定位裝置位置不變的情況下，能夠跟蹤有效視場內所有的標記點，并通過分析和計算識別出每個儀器的位置，如圖2所示。

圖2 NDI 公司的Polaris Vega 系統的有效視場[13]

2015 年，趙鵬[12]為解決光束遮擋期間的定位問題，設計了一種結合光學定位和慣性定位的系統，在光學定位系統的定位信息受到短時遮擋而無法對目標進行定位時，利用慣性定位系統的定位信息進行定位補償，使定位信息不間斷，可以用于肝腫瘤熱消融治療中，保證介入手術導航系統定位的連續性。

2016 年，林欽永[14]設計了基于近紅外光學導航設備的肝腫瘤消融光學導航系統（如圖3 所示），利用醫學圖像可視化技術和雙目視覺定位技術實現了手術導航中的自動配準和精確定位。在體模、體外和體內動物上的實驗表明，該系統具有較高的準確性和臨床可行性。

圖3 肝腫瘤消融光學導航系統[14]

2018 年，侯姣蛟等[15]研制了一種應用于肝腫瘤消融的光學定位導航系統（如圖4 所示），該系統使用自行開發的近紅外光學導航器進行術前模擬，在手術過程中，近紅外相機動態跟蹤穿刺針相對于患者解剖結構的位置，引導機器人在三維空間中精準定位并執行手術。定位定點和軌跡驗證實驗結果表明該系統具有一定的臨床應用價值，但是在腫瘤熱消融的手術過程中，呼吸運動對穿刺有一定影響，導致穿刺率低、療效差等。

圖4 光學定位導航系統[15]

2017 年，新博醫療技術有限公司（北京）研制了磁共振導航微創介入治療系統（如圖5 所示）[16]，采用磁共振獲取患者術中的解剖和功能圖像，同時采用一套光學定位設備探測肝腫瘤熱消融針的精確三維坐標。該系統可將消融針的方位信息與來自磁共振的患者圖像依照其空間相對位置共同顯示在手術室內的屏幕上，為醫生進行熱消融手術治療的術前規劃和術中精確導航提供所需信息。該系統實現了<2.5 mm的手術導航精度。另外，該公司研制的Alkaid 手術導航設備[17]開發并集成了實時三維成像、實時三維導航及實時控制技術，可在臨床應用于肝腫瘤熱消融治療。手術過程中該導航設備接收CT 圖像，并實時跟蹤消融針的位置，將消融針和病灶的方位以一定的精度在同一個坐標系中顯示。在治療過程中，該導航設備能夠接收醫學成像系統的圖像，幫助醫生掌握重要的治療信息（例如熱消融區域的覆蓋情況、病灶及其周圍組織的信息等），從而可控制、調整治療設備的參數。該導航設備具有精度高（最高可達到0.5 mm 的到位精度）、手術現場實時引導、可融合多種醫學影像、可監控患者呼吸狀態等優勢，保證了微創手術的安全性和有效性。

圖5 磁共振導航微創介入治療系統[16]

1.2 電磁導航系統

電磁導航是利用磁場、電場或者電磁場的方式對目標物進行跟蹤定位和導航，是圖像引導程序導航和可視化的核心平臺技術。該技術在非視線環境中提供了高跟蹤精度，允許在光學跟蹤不可行的位置進行儀器導航。電磁跟蹤（electromagnetic tracking，EMT）在應用中有許多優點，例如用于治療肝臟病變的經皮射頻消融，其中針尖可能由于困難的肝臟環境（例如皮下脂肪或消融偽影）而被遮擋，使用EMT技術可以準確獲取針尖位置。

2003 年，NDI 公司生產了Aurora 電磁定位系統[18]。該定位系統廣泛應用于醫學圖像引導的肝腫瘤熱消融介入導航系統中，可以在手術過程中跟蹤消融針，使其以虛擬探針的形式實時顯示在患者影像上，具有定位精度高、使用靈活方便等特點。如圖6 所示，該定位系統由針形或圓形等多種定位器、有多個定位器插口的接口單元、磁場發生器以及控制單元組成，其中定位器可以嵌入到消融針等手術器械中，控制單元從定位器接口單元收集信息，計算每個定位器的位置和方向，保持定位器與患者坐標系之間的配準。

圖6 Aurora 電磁定位系統[18]

2015 年，Mauri 等[19]構建了具有US-CT/MRI 融合成像的實時虛擬電磁導航系統，并評估了該系統對超聲無法檢測到的肝腫瘤熱消融治療的可行性，結果顯示295 個腫瘤中，共有282 個（95.6%）被正確靶向，其中266 個（90.2%）成功消融。如圖7 所示，該系統由超聲掃描儀、專用的內置硬件和軟件組成，而集成在工作站中的電磁跟蹤系統由一個磁場發射器（如圖A 中黑色箭頭所示）和2 個電磁傳感器組成，其中1 個電磁傳感器應用于凸性超聲探頭（如圖B中白色箭頭所示），另1 個電磁傳感器安裝在消融針上（如圖C 中箭頭所示）。

2017 年，Jaeger 等[20]設計了第一個用于圖像引導穿刺（介入）導航系統的電磁定位開源平臺Anser EMT，并將該平臺的性能與使用Hummel 評估協議的其他商業定位平臺進行客觀比較，結果顯示該平臺具有1.14 mm 的定位精度和角旋轉精度。但與其他EMT 平臺一樣，該平臺也容易受到渦流和鐵磁失真引起的跟蹤誤差的影響。Anser EMT 平臺證明了使用開源技術在臨床環境進行準確和低成本跟蹤的可行性，可以用于圖像引導的肝腫瘤熱消融介入導航系統。

2018 年，Paolucci 等[21]設計了一種基于電磁腹腔鏡超聲（electromagnetic laparoscopic ultrasonography，ELUS）的肝腫瘤熱消融動態導航系統，該系統擴展了用于儀器跟蹤的電磁技術，使用桌面場發生器（field generator，FG）生成磁性工作空間，將帶有柔性尖端的腹腔鏡超聲（laparoscopic ultrasonography，LUS）用于術中成像，并通過開發由不銹鋼組成的腹腔鏡超聲跟蹤器（laparoscopic ultrasonography tracker，LUT）來提供電磁技術，如圖8 所示。除了在腹腔鏡模型中準確有效地定位消融探針外，這是首次在導航系統中引入基于三維超聲的術中靶向精度驗證，而且不依賴于術前成像的配準，減少了由于器官變形而導致的潛在不準確性。但是該系統也存在一定的局限性，對沿消融針路徑的潛在相關解剖結構的了解有限，因此不適用于腫瘤能見度改變或既往化療后病變消失的治療。

圖8 基于ELUS 的動態導航系統[21]

2019 年，Hinds 等[22]提出了一個用于EMT 的開源框架，并在Anser EMT 平臺上進行了測試。該研究使用CustusX 導航平臺（一個圖像引導治療的開源研究平臺，致力于術中導航和超聲成像）的跟蹤框架和市售的電磁跟蹤針頭進行肝腫瘤靶向，腫瘤的消融是用市售的消融系統進行的，實驗結果證明對5 mm以內的腫瘤都可完全消融。

2020 年，醫達極星醫療科技（蘇州）有限公司研制了一種實時交互型計算機輔助精準腫瘤治療術中導航系統（IQQA-Guide 導航）[23]，該產品為國內首個用于成人肺及腹部軟組織實體器官的穿刺手術導航設備。與常規CT 引導方式相比，可提高穿刺準確率，減少進針次數和CT 掃描次數，具有顯著的臨床應用價值。該產品術前基于患者CT 數據制訂導航計劃（手動規劃），術中利用電磁定位原理進行手術導航，但不具備肝腫瘤熱消融治療手術路徑的自動規劃和導航功能。

2023 年，姚潔等[24]針對肝腫瘤熱消融治療過程中消融針的實時引導問題，開發了一套基于電磁定位裝置（NDI 公司的Aurora）的熱消融穿刺電磁導航系統。該系統根據電磁導航坐標系與三維影像坐標系對應標記點的坐標信息，使用奇異值分解完成空間配準并實時跟蹤消融針的空間位置和姿態。實驗結果顯示該系統平均目標位置誤差為3.10 mm，能夠有效輔助醫生進行手術操作。但是該系統對穿刺路徑的規劃是手動的，而且只使用了體模進行實驗，存在一定的局限性，還需要進一步研究改進。

1.3 超聲導航系統

超聲波在醫療領域應用非常廣泛，例如醫療診斷、醫療成像等。超聲導航技術是基于超聲波測距原理，將超聲波發射傳輸和接收的裝置固定，通過記錄時間來計算距離，達到實時定位的目的[25]。該技術的優點是成本低、簡單方便，但是由于超聲波的傳輸距離短，在不同介質中衰減速度也不同，定位導航的范圍有限，而且定位精度很容易受到環境溫度、濕度、氣流等的影響。

在神經外科手術中，最早使用術中超聲定位技術要追溯到1965 年[26-28]，當時研究人員設計使用A型超聲，用以定位和描述腦內腫塊病變。隨著超聲技術和設備的不斷發展，超聲分辨力、成像質量等都得到了提升，而且術中多是超聲定位導航與其他導航技術相結合使用。

2020 年，Amalanesan 等[29]將超聲圖像引導和機電支持臂系統結合，醫生使用由機電支持臂引導的超聲波捕捉設備對人體腹部進行成像和檢查，從而實現軌跡的預規劃和半自動對準，具有足夠的精度。經過臨床醫生檢查和評估，證明了超聲引導機電支持臂輔助治療肝腫瘤熱消融是高效可行的。但超聲定位成像質量差、成像視野窄，在肝腫瘤熱消融治療中容易受到氣體等遮擋，致使醫生通過觀察超聲圖像難以對腫瘤區域進行精準定位。為了解決傳統超聲圖像對手術針跟蹤困難的問題，畢津滔等[30]構建了一個基于電磁定位技術的超聲引導穿刺系統，采用超聲圖像確定病變位置，采用電磁定位系統（NDI公司的Aurora）進行實時定位和跟蹤手術針。為驗證該系統的有效性及可行性，搭建了介入導航系統實驗平臺，進行了多種角度下的靶向穿刺定位實驗，如圖9 所示。結果顯示假體穿刺實驗中的平均準確度為1.62 mm，可滿足肝腫瘤熱消融介入導航手術的臨床精度要求。

圖9 介入導航系統實驗平臺[30]

1.4 基于AR 的導航系統

近年來，基于AR 和虛擬現實技術的醫療導航已經成為研究熱點。AR 導航技術先進行圖像三維建模，然后將三維模型與真實環境精確匹配，使真實手術場景與具有三維信息的虛擬場景相互關聯，可以直觀地幫助醫生進行手術。

2018 年，Paolis 等[31]設計了一種用于肝腫瘤射頻消融的AR 手術導航系統。該系統基于光學跟蹤實現病患三維模型與病灶區完成三維配準，可用于支持更精準的術前規劃與術中射頻消融針引導。為評估該系統的準確性，研究人員在試驗臺和假人上進行了測試。結果表明使用該系統的準確率略低于有經驗的醫生，而且該系統中的三維模型未考慮由于患者呼吸而產生的形變。

2019 年，郭堅溪[32]研發了一款可用于肝臟腫瘤消融治療的AR 手術導航系統，并通過腹部體模實驗和動物實驗驗證了系統的導航精度和可視化效果。經實驗證明，該系統能達到理想的導航精度要求，有效提高穿刺效率，減少穿刺次數和CT 掃描次數；同時，可實現穿刺操作過程“可視化”和實時跟蹤導航，是CT 引導肝臟腫瘤穿刺消融的有效輔助手段。

2022 年，Solbiati 等[33]首次使用一種基于AR 的經皮介入手術導航系統Endosight（如圖10 所示）進行肝腫瘤熱消融治療，該系統通過被動標記將CT 掃描重建的三維圖像自動疊加在患者身上，也就是在醫生的真實視線上實時疊加虛擬圖像，同時以三維形式可視化患者的表面和內部解剖結構、目標病變和到目標的軌跡路徑。實驗結果表明該系統具有高靶向精度（平均3.4 mm），15 個病變治療成功（即肝腫瘤完全消融）。

圖10 經皮介入手術導航系統Endosight[33]

雖然AR 技術對導航系統的研究和應用具有重要價值，但尚未建立完善的評估體系，因此大多數研究仍處于實驗室探索階段[34-35]。

2 結語與展望

肝腫瘤在我國發病率很高，嚴重影響我國民眾的身體健康。微波（射頻）熱消融術具有微創性和廣泛的適用性，近年來已成為肝腫瘤的根治性手段之一。因此，研究人員開始開發熱消融穿刺治療介入導航系統來指導或輔助臨床醫生執行消融針穿刺手術，提高肝腫瘤熱消融治療的有效性與安全性。目前臨床中的介入導航系統多采用電磁或光學定位導航，但基于圖像引導、具有穿刺路徑全自動規劃和療效評估功能的肝腫瘤熱消融治療介入導航系統還比較少。

目前，肝腫瘤經皮（微波/射頻）熱消融治療介入導航系統還存在如下問題：（1）消融針穿刺路徑規劃集中在術前的手術規劃，且普遍采用手動規劃。而從臨床實際需求來看，熱消融要求術中實時的穿刺路徑自動規劃。（2）穿刺路徑規劃與手術導航未形成有效的統一，導航系統中各坐標空間應準確配準，確保導航精度。（3）目前的手術導航系統沒有基于醫學影像的療效評估功能。（4）關于肝腫瘤消融術的各類導航系統大多處于實驗研究階段。

未來肝腫瘤經皮介入（微波/射頻）熱消融治療介入導航系統可從以下幾個方向進行改進：（1）設計基于臨床多約束條件的熱消融針穿刺路徑自動規劃新方法。（2）穿刺路徑規劃與手術導航形成有效的統一，導航系統中各坐標空間準確配準，實現實時跟蹤定位，確保導航精度。（3）在手術導航系統中加入療效評估模塊，后續研究應與臨床緊密結合，建立消融介入導航系統的完整評價體系和應用規范。（4）為了成功地實現各類導航系統的臨床應用，還需進一步解決人體呼吸運動等因素對精準定位的干擾。

目前腫瘤經皮（微波/射頻）熱消融治療介入導航系統的研究還處于初級階段，距離廣泛的臨床應用還有一定的距離。如果介入導航系統能有更先進的技術、更高的精確度和更完善的體系，可有效推動肝腫瘤（微波/射頻）熱消融治療技術的發展，給全國更多肝腫瘤患者帶來福音，具有重要的經濟和社會效益。