引用本文： 方程, 王飄, 李波, 蘇松, 程震, 淦宇, 楊小李, 彭方毅, 索永寬. 近紅外熒光投影導航技術在肝癌術中的首次臨床驗證. 中國普外基礎與臨床雜志, 2022, 29(8): 1001-1005. doi: 10.7507/1007-9424.202206071 復制
近年來，吲哚菁綠（indocyanine green，ICG）介導的近紅外熒光影像技術已經在外科臨床得到廣泛推廣應用[1]。該技術通過對手術目標區域的熒光標定，協助外科醫生實施精準的手術操作。其應用的范圍涵蓋了肝癌、肝移植、膽道系統疾病、胃癌、乳腺癌、淋巴結清掃、肺癌、婦科腫瘤等[2-6]，而且還在不斷拓展中。因此，大型三甲醫院都在購置和應用近紅外熒光成像設備。現有的設備主要分為開放手術和腔鏡手術熒光系統，其共同點是熒光圖像必須通過顯示屏呈現給手術醫生，即醫生視線方向和手的操作部位無法一致。熟練的腔鏡手術醫生可以做到“眼手一致”的實時操作；而對于開放手術，醫生的視線則無法持續停留在手部操作區域，需要不斷轉換于顯示屏和術野之間。對于高危和需要精細操作的手術，如肝癌切除等，視線的挪移不但存在潛在的操作風險，而且靠視覺記憶來匹配熒光在病灶的范圍，存在必然的誤差。
為了解決熒光導航開放手術中存在的上述問題，西南醫科大學附屬醫院李波、方程醫師團隊和中國科學院上海藥物研究所分子影像研究中心程震教授、索永寬教授工程學團隊，采用醫-工結合模式，共同開發了一套新型近紅外熒光投影手術導航系統。該系統的原理是：通過放置或懸置于手術臺外的信號采集系統，收集目標病變發射出的不可見近紅外熒光的位置信息、強度信息和范圍信息，再通過算法轉換和編程數字信號的輸出，鎖定投影系統的可見光發射方向、角度、強度和范圍，進而實現在術野中直接投射影像，直視化標定出病灶的范圍，而且在目標器官發生位置移動、翻轉的情況下，依然能實時投影勾勒出手術目標，且只有人眼無法察覺的毫秒級時滯。該系統徹底擺脫了顯示屏對醫師視線的牽制，讓醫生能持續專注于手術區域，并且隨著手術的推進，投影范圍會實時跟進，實現全程精準手術導航。該系統適用于上述多學科的各類疾病的開放手術，彌補了近紅外熒光成像系統在開放手術中的短板。
為了初步驗證該系統在臨床中的應用效能，合作團隊于2021年在西南醫科大學附屬醫院，實施了3例在該系統導航下的肝癌切除手術驗證試驗。以術中超聲及術后病理作為標準，判斷該系統的穩定性和準確度。結果顯示：該新型近紅外熒光投影導航系統，能夠實時、精準的標定目標區域，協助外科醫生實現全程導航下的肝癌切除手術。
1 資料與方法
1.1 病例資料
選擇西南醫科大學附屬醫院2021年3月至2021年5月期間收治的3例需要行開腹肝癌切除術的患者，其一般資料見表1。
表1
納入患者的一般資料
1.2 方法
首先簡要介紹本系統的構成、成像原理和臨床應用的部分細節。① 該系統的主要構成包括：激發光部件、近紅外熒光信號采集部件、運算算法部件和投影系統。激發部件為帶準直頭的激光光纖和激光器，其和現有各類熒光設備一致，由助手持消毒后或套有無菌套的激發部件，對準整個術野啟動激發光源即可。② 成像原理是：患者于術前24 h注射ICG，術中ICG富集于肝癌病灶，通過激發光的激發，癌灶中的ICG發射出肉眼不可見的近紅外熒光；通過手術臺外高置或懸吊的主機信號采集系統收集近紅外熒光信號，而所有可見光信號將被系統的濾波片濾除；獲得熒光信號的主機算法部件經過運算，鎖定熒光在整個術野中的空間位置、強度和范圍；該數字信息被傳輸給投影系統；投影系統發射出增強的彩色可見光信號（顏色可自定義）照射到腫瘤目標表面。整個成像過程，可以類比為播放幻燈片，主機的光電轉換部件能夠“看到”人眼無法識別的近紅外熒光，并告知“電腦”，“電腦”再通過“投影儀”將其轉換成增強的彩色可見光，完全匹配、重合地照射到發射不可見熒光的同一部位（而常規的熒光設備是將影像呈現在顯示屏上，而不是投影到活體組織上）。③ 臨床應用中的一點說明：該成像系統只適用于開腹、開胸或體表手術；投影光無法穿透胸壁和腹壁，只能通過手術切口投射到術野；系統需要高置或懸吊于手術室，保證信號采集和投影光不被術者身體阻擋；后續的迭代升級系統會盡量做到和無影燈的角度一致（或多探頭均勻綁定在無影燈上），保證只要無影燈能照射到的手術區域，即術者能看到的術野范圍，都能實現成像和投影。例如：在開腹肝癌切除術中，切口下無影燈能照射到的肝臟范圍，即術者能清晰看到的范圍，就是投影系統能標定腫瘤的范圍，而無影燈無法照射到的肝臟范圍，投影系統也無法標定腫瘤。
3例原發性肝癌患者分別行開腹癌灶切除術或肝葉切除術。術前24 h靜脈注射2.5 mg ICG。入腹后游離肝周韌帶，充分暴露肝臟。采用近紅外熒光投影導航系統（圖1a）在肝臟表面投影出癌灶位置（圖1b），由投影組主任醫師標定手術切除范圍，并用電刀在肝臟表面標記（此時超聲組主任醫師不參與此手術范圍劃定）。然后由超聲組主任醫師使用術中超聲探查癌灶位置。檢測兩組劃定的腫瘤位置是否一致。開始切除癌灶，并檢測整個切除過程中以及肝臟隨呼吸移動時，投影位置是否始終與癌灶位置保持一致。切除癌灶后，將標本分別放置于標本臺不同位置，判斷投影光斑位置是否有變化。關腹結束手術，標本送病理檢查。
圖1
示近紅外熒光投影導航系統和術中導航效果
a：近紅外熒光投影導航系統原型機；b：近紅外熒光投影導航技術導航開腹肝癌切除手術（肝臟表面的綠色光斑，勾勒出癌腫在肝臟表面的投影）
1.3 觀察指標
本研究的觀察指標包括：投影光斑顯示的腫瘤位置與術中超聲劃定腫瘤位置是否一致、投影光斑是否隨術中肝臟活動及切除腫瘤標本位置變化發生改變，以及投影光斑所示腫瘤組織邊界與術后病理學結果是否一致。
2 結果
投影光斑顯示的腫瘤位置與術中超聲劃定腫瘤位置無明顯差異。術中主刀醫師觀察，在整個切除過程中，投影光斑鎖定腫瘤位置，在肉眼下沒有投影遲滯。肝臟在隨著呼吸移動及術者翻動肝臟的過程中，投影光斑與癌灶即時吻合，沒有明顯時滯（圖2a、2b）。
圖2
示采用近紅外熒光導航系統精確定位腫瘤并引導腫瘤切除
a：肝臟表面無投影信號時；b：近紅外熒光投影導航技術導航開腹肝癌切除手術（肝臟表面的綠色光斑，勾勒出癌腫在肝臟表面的投影）；c、d：不同擺放位置的無投影光肝癌標本；e、f：不同擺放位置下，投影光準確標定腫瘤邊界（低分化腺癌呈現環形熒光）；g：無投影部分病理結果提示正常肝組織（HE ×200）；h：投影部分病理結果提示低分化腺癌（HE ×200）
投影系統和腫瘤組織標本之間的距離改變不會影響投影光斑的大小、位置和范圍（圖2c－2f）。切除標本的病理學結果證實，肝癌病灶完整切除，投影部分取樣的組織為原發性肝癌，無投影區域無癌組織（圖2g、2h）。投影影像能準確標定腫瘤邊界（圖2c－2f）。
3 討論
本研究是臨床首次在無顯示屏情況下，由近紅外熒光投影系統直接將癌灶熒光影像，通過可見光投影轉換的方式，全吻合地直接標定在器官表面。該技術讓外科醫生憑借自己的肉眼就能在肝臟表面看到癌灶的投影范圍，指導手術切除規劃；并且在整個癌灶切除過程中，影像不受器官移動、切面出血等的影響，全程實時跟蹤標定癌灶位置，實現了“手眼一致”的熒光導航開腹肝癌切除手術。該技術經初步驗證試驗證實，投影標定腫瘤位置與超聲檢測腫瘤規劃無明顯差異。超聲檢測需要術者的視線轉移，且不能和切除全過程同時進行，每次超聲檢測需要中斷切除進程。我們的結果表明，投影系統能在腫瘤移動過程中實時鎖定腫瘤位置，無肉眼時滯，實現了持續的手術導航，并不用在手術臺上和臟器表面增加探測探頭。此外，術后腫瘤標本病理結果也證實投影系統具有極高的腫瘤定位準確性，能夠精準區分腫瘤與正常組織。然而，熒光技術也具有其固有的不足，即探測腫瘤的深度不及術中超聲，更適合相對表淺的腫瘤標定[7]。同時，投影光束入射角度有其考究，需盡量避開術者身軀的阻擋，所以采用手術室天花板懸吊的方式，將會更有利于投影角度的選擇。由此可見，只有熒光投影技術與術中超聲技術互補協同，才能協助外科醫生實現更為實時、精準的肝癌切除手術。
此外，熒光投影技術在其他手術中也有望發揮重要導航作用。例如對熒光探測深度要求不高的術式，如肝葉、肝段熒光正、負染色切除過程中，可以全程協助判斷肝葉和肝段分界線；在乳腺癌切除、尋找前哨淋巴結的手術中，該技術有望發揮優于現有技術的效能，因為投影線能使手術醫師保持眼手一致，更利于各種手術操作的實施；在開腹胃癌切除前哨淋巴結的追蹤，以及淋巴結清掃過程中，該技術亦有望發揮突出的導航效能。
然而，本研究所采用的熒光投影系統設備屬于初代原型機，整個核心部件體積還較大，同時系統采用放置方式為落地式，所以改進的空間還較大。改進的方向是：小型化、懸吊式、自動角度轉換跟隨以及便于消毒。但即使是原型機，其所占手術室空間仍小于一些放置顯示器的臺柜，可以遠離手術區域放置，有部分角度調整跟隨能力。
綜上，本研究展現了一種新的術中影像導航方式及理念，且在臨床上尚無類似系統的相關報道，屬于臨床首次。隨著該系統的迭代升級，有望實現一種在淺表器官熒光導航手術或開放式胸腹腔熒光導航手術中，無需顯示屏、全程多角度“手眼合一”的手術導航新技術。可期，該技術將在多學科疾病的手術中得以驗證和推廣，進一步拓展近紅外熒光影像技術在外科臨床應用的新進步。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們沒有相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：王飄負責數據采集、分析；方程、李波、蘇松、彭方毅、淦宇和楊小李實施研究；方程負責對文章進行起草、審閱及本醫工合作項目的聯系與協調；程震、索永寬負責研究的技術支持；索永寬負責對文章的質量控制與最后審核。
倫理聲明：本研究通過了西南醫科大學附屬醫院臨床試驗倫理委員會審批（批文編號：KY2017102）。
近年來，吲哚菁綠（indocyanine green，ICG）介導的近紅外熒光影像技術已經在外科臨床得到廣泛推廣應用[1]。該技術通過對手術目標區域的熒光標定，協助外科醫生實施精準的手術操作。其應用的范圍涵蓋了肝癌、肝移植、膽道系統疾病、胃癌、乳腺癌、淋巴結清掃、肺癌、婦科腫瘤等[2-6]，而且還在不斷拓展中。因此，大型三甲醫院都在購置和應用近紅外熒光成像設備。現有的設備主要分為開放手術和腔鏡手術熒光系統，其共同點是熒光圖像必須通過顯示屏呈現給手術醫生，即醫生視線方向和手的操作部位無法一致。熟練的腔鏡手術醫生可以做到“眼手一致”的實時操作；而對于開放手術，醫生的視線則無法持續停留在手部操作區域，需要不斷轉換于顯示屏和術野之間。對于高危和需要精細操作的手術，如肝癌切除等，視線的挪移不但存在潛在的操作風險，而且靠視覺記憶來匹配熒光在病灶的范圍，存在必然的誤差。
為了解決熒光導航開放手術中存在的上述問題，西南醫科大學附屬醫院李波、方程醫師團隊和中國科學院上海藥物研究所分子影像研究中心程震教授、索永寬教授工程學團隊，采用醫-工結合模式，共同開發了一套新型近紅外熒光投影手術導航系統。該系統的原理是：通過放置或懸置于手術臺外的信號采集系統，收集目標病變發射出的不可見近紅外熒光的位置信息、強度信息和范圍信息，再通過算法轉換和編程數字信號的輸出，鎖定投影系統的可見光發射方向、角度、強度和范圍，進而實現在術野中直接投射影像，直視化標定出病灶的范圍，而且在目標器官發生位置移動、翻轉的情況下，依然能實時投影勾勒出手術目標，且只有人眼無法察覺的毫秒級時滯。該系統徹底擺脫了顯示屏對醫師視線的牽制，讓醫生能持續專注于手術區域，并且隨著手術的推進，投影范圍會實時跟進，實現全程精準手術導航。該系統適用于上述多學科的各類疾病的開放手術，彌補了近紅外熒光成像系統在開放手術中的短板。
為了初步驗證該系統在臨床中的應用效能，合作團隊于2021年在西南醫科大學附屬醫院，實施了3例在該系統導航下的肝癌切除手術驗證試驗。以術中超聲及術后病理作為標準，判斷該系統的穩定性和準確度。結果顯示：該新型近紅外熒光投影導航系統，能夠實時、精準的標定目標區域，協助外科醫生實現全程導航下的肝癌切除手術。
1 資料與方法
1.1 病例資料
選擇西南醫科大學附屬醫院2021年3月至2021年5月期間收治的3例需要行開腹肝癌切除術的患者，其一般資料見表1。
表1
納入患者的一般資料
1.2 方法
首先簡要介紹本系統的構成、成像原理和臨床應用的部分細節。① 該系統的主要構成包括：激發光部件、近紅外熒光信號采集部件、運算算法部件和投影系統。激發部件為帶準直頭的激光光纖和激光器，其和現有各類熒光設備一致，由助手持消毒后或套有無菌套的激發部件，對準整個術野啟動激發光源即可。② 成像原理是：患者于術前24 h注射ICG，術中ICG富集于肝癌病灶，通過激發光的激發，癌灶中的ICG發射出肉眼不可見的近紅外熒光；通過手術臺外高置或懸吊的主機信號采集系統收集近紅外熒光信號，而所有可見光信號將被系統的濾波片濾除；獲得熒光信號的主機算法部件經過運算，鎖定熒光在整個術野中的空間位置、強度和范圍；該數字信息被傳輸給投影系統；投影系統發射出增強的彩色可見光信號（顏色可自定義）照射到腫瘤目標表面。整個成像過程，可以類比為播放幻燈片，主機的光電轉換部件能夠“看到”人眼無法識別的近紅外熒光，并告知“電腦”，“電腦”再通過“投影儀”將其轉換成增強的彩色可見光，完全匹配、重合地照射到發射不可見熒光的同一部位（而常規的熒光設備是將影像呈現在顯示屏上，而不是投影到活體組織上）。③ 臨床應用中的一點說明：該成像系統只適用于開腹、開胸或體表手術；投影光無法穿透胸壁和腹壁，只能通過手術切口投射到術野；系統需要高置或懸吊于手術室，保證信號采集和投影光不被術者身體阻擋；后續的迭代升級系統會盡量做到和無影燈的角度一致（或多探頭均勻綁定在無影燈上），保證只要無影燈能照射到的手術區域，即術者能看到的術野范圍，都能實現成像和投影。例如：在開腹肝癌切除術中，切口下無影燈能照射到的肝臟范圍，即術者能清晰看到的范圍，就是投影系統能標定腫瘤的范圍，而無影燈無法照射到的肝臟范圍，投影系統也無法標定腫瘤。
3例原發性肝癌患者分別行開腹癌灶切除術或肝葉切除術。術前24 h靜脈注射2.5 mg ICG。入腹后游離肝周韌帶，充分暴露肝臟。采用近紅外熒光投影導航系統（圖1a）在肝臟表面投影出癌灶位置（圖1b），由投影組主任醫師標定手術切除范圍，并用電刀在肝臟表面標記（此時超聲組主任醫師不參與此手術范圍劃定）。然后由超聲組主任醫師使用術中超聲探查癌灶位置。檢測兩組劃定的腫瘤位置是否一致。開始切除癌灶，并檢測整個切除過程中以及肝臟隨呼吸移動時，投影位置是否始終與癌灶位置保持一致。切除癌灶后，將標本分別放置于標本臺不同位置，判斷投影光斑位置是否有變化。關腹結束手術，標本送病理檢查。
圖1
示近紅外熒光投影導航系統和術中導航效果
a：近紅外熒光投影導航系統原型機；b：近紅外熒光投影導航技術導航開腹肝癌切除手術（肝臟表面的綠色光斑，勾勒出癌腫在肝臟表面的投影）
1.3 觀察指標
本研究的觀察指標包括：投影光斑顯示的腫瘤位置與術中超聲劃定腫瘤位置是否一致、投影光斑是否隨術中肝臟活動及切除腫瘤標本位置變化發生改變，以及投影光斑所示腫瘤組織邊界與術后病理學結果是否一致。
2 結果
投影光斑顯示的腫瘤位置與術中超聲劃定腫瘤位置無明顯差異。術中主刀醫師觀察，在整個切除過程中，投影光斑鎖定腫瘤位置，在肉眼下沒有投影遲滯。肝臟在隨著呼吸移動及術者翻動肝臟的過程中，投影光斑與癌灶即時吻合，沒有明顯時滯（圖2a、2b）。
圖2
示采用近紅外熒光導航系統精確定位腫瘤并引導腫瘤切除
a：肝臟表面無投影信號時；b：近紅外熒光投影導航技術導航開腹肝癌切除手術（肝臟表面的綠色光斑，勾勒出癌腫在肝臟表面的投影）；c、d：不同擺放位置的無投影光肝癌標本；e、f：不同擺放位置下，投影光準確標定腫瘤邊界（低分化腺癌呈現環形熒光）；g：無投影部分病理結果提示正常肝組織（HE ×200）；h：投影部分病理結果提示低分化腺癌（HE ×200）
投影系統和腫瘤組織標本之間的距離改變不會影響投影光斑的大小、位置和范圍（圖2c－2f）。切除標本的病理學結果證實，肝癌病灶完整切除，投影部分取樣的組織為原發性肝癌，無投影區域無癌組織（圖2g、2h）。投影影像能準確標定腫瘤邊界（圖2c－2f）。
3 討論
本研究是臨床首次在無顯示屏情況下，由近紅外熒光投影系統直接將癌灶熒光影像，通過可見光投影轉換的方式，全吻合地直接標定在器官表面。該技術讓外科醫生憑借自己的肉眼就能在肝臟表面看到癌灶的投影范圍，指導手術切除規劃；并且在整個癌灶切除過程中，影像不受器官移動、切面出血等的影響，全程實時跟蹤標定癌灶位置，實現了“手眼一致”的熒光導航開腹肝癌切除手術。該技術經初步驗證試驗證實，投影標定腫瘤位置與超聲檢測腫瘤規劃無明顯差異。超聲檢測需要術者的視線轉移，且不能和切除全過程同時進行，每次超聲檢測需要中斷切除進程。我們的結果表明，投影系統能在腫瘤移動過程中實時鎖定腫瘤位置，無肉眼時滯，實現了持續的手術導航，并不用在手術臺上和臟器表面增加探測探頭。此外，術后腫瘤標本病理結果也證實投影系統具有極高的腫瘤定位準確性，能夠精準區分腫瘤與正常組織。然而，熒光技術也具有其固有的不足，即探測腫瘤的深度不及術中超聲，更適合相對表淺的腫瘤標定[7]。同時，投影光束入射角度有其考究，需盡量避開術者身軀的阻擋，所以采用手術室天花板懸吊的方式，將會更有利于投影角度的選擇。由此可見，只有熒光投影技術與術中超聲技術互補協同，才能協助外科醫生實現更為實時、精準的肝癌切除手術。
此外，熒光投影技術在其他手術中也有望發揮重要導航作用。例如對熒光探測深度要求不高的術式，如肝葉、肝段熒光正、負染色切除過程中，可以全程協助判斷肝葉和肝段分界線；在乳腺癌切除、尋找前哨淋巴結的手術中，該技術有望發揮優于現有技術的效能，因為投影線能使手術醫師保持眼手一致，更利于各種手術操作的實施；在開腹胃癌切除前哨淋巴結的追蹤，以及淋巴結清掃過程中，該技術亦有望發揮突出的導航效能。
然而，本研究所采用的熒光投影系統設備屬于初代原型機，整個核心部件體積還較大，同時系統采用放置方式為落地式，所以改進的空間還較大。改進的方向是：小型化、懸吊式、自動角度轉換跟隨以及便于消毒。但即使是原型機，其所占手術室空間仍小于一些放置顯示器的臺柜，可以遠離手術區域放置，有部分角度調整跟隨能力。
綜上，本研究展現了一種新的術中影像導航方式及理念，且在臨床上尚無類似系統的相關報道，屬于臨床首次。隨著該系統的迭代升級，有望實現一種在淺表器官熒光導航手術或開放式胸腹腔熒光導航手術中，無需顯示屏、全程多角度“手眼合一”的手術導航新技術。可期，該技術將在多學科疾病的手術中得以驗證和推廣，進一步拓展近紅外熒光影像技術在外科臨床應用的新進步。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們沒有相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：王飄負責數據采集、分析；方程、李波、蘇松、彭方毅、淦宇和楊小李實施研究；方程負責對文章進行起草、審閱及本醫工合作項目的聯系與協調；程震、索永寬負責研究的技術支持；索永寬負責對文章的質量控制與最后審核。
倫理聲明：本研究通過了西南醫科大學附屬醫院臨床試驗倫理委員會審批（批文編號：KY2017102）。
