机器人辅助腹腔镜前列腺切除术 (RALP) 中j影像引导的演变

the evolution of image guidance in robotic-assisted laparoscopic prostatectomy (RALP): a glimpse into the future

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Makary, J., van Diepen, D.C., Arianayagam, R. et al. The evolution of image guidance in robotic-assisted laparoscopic prostatectomy (RALP): a glimpse into the future. J Robotic Surg 16, 765–774 (2022). https://doi.org/10.1007/s11701-021-01305-5

机器人辅助腹腔镜前列腺切除术 (RALP) 中图像引导的演变：展望未来

目标 描述在微创机器人辅助腹腔镜前列腺切除术中帮助外科医生的创新术中技术。方法 我们搜索了多个报告术中成像和导航技术、机器人手术结合 3D 建模和腹腔镜或机器人辅助腹腔镜前列腺切除术中使用的 3D 打印的电子数据库。对考虑人工智能和机器学习的作用及其在机器人手术中的应用的文章进行了额外的搜索。我们排除了在开放性根治性前列腺切除术中使用术中导航技术的研究和考虑使用技术来显示淋巴结的研究。

调查结果摘要 使用经直肠超声或增强现实技术的术中成像与手术切缘阳性率的潜在降低有关。通过增强现实可以看到检测包膜受累的改进。讨论了其他成像方式（如 3D 打印模型和光学成像）的好处、可行性和应用。结论 图像引导手术和机器人技术的应用导致了有前途的新术中成像技术的发展，例如增强现实、荧光成像、光学相干断层扫描、共聚焦激光显微内窥镜和 3D 打印。目前，关于组织变形和前列腺运动自动跟踪的挑战仍然存在，并且缺乏支持使用这些技术的文献。鼓励泌尿外科医生在临床领域改进和测试这些先进技术，最好通过比较、随机试验。

前列腺癌是男性第二常见的癌症 [ 1 ]。在过去十年中，微创根治性前列腺切除术的数量在全球范围内急剧增加 [ 2 ]。与开放式根治性前列腺切除术相比，机器人辅助腹腔镜前列腺切除术 (RALP) 的增加可归因于其微创方法和相关的临床益处。然而，即使有机器人辅助，根治性前列腺切除术仍然是一项要求很高的手术，术后并发症严重，如尿失禁和勃起功能障碍。尽管机器人手术有很多好处，但功能（尿失禁和勃起功能）和肿瘤学结果仍然与接受开放手术的患者相似 [ 3 ,4 ]。

为了实现“三连胜”结果，其中包括保留节制和效力的负手术边缘，对前列腺解剖和周围结构的理解和可视化至关重要 [ 5 , 6 , 7].目前前列腺癌的手术治疗仍主要依靠外科医生的视觉解读。为了实现这些结果，外科医生将他们对术前成像（MRI/活检结果/PSMA PET 扫描）的解释外推到手术中。然而，这种方法缺乏对手术期间遇到的重要结构（神经血管束 (NVB)/尿道括约肌/肿瘤病变）的实时确认。我们回顾了最先进的成像技术，允许进行实时评估，这可以在 RALP 期间帮助外科医生。

目标

描述在微创 RALP 期间帮助外科医生的创新新兴术中成像技术。

方法

我们在 PubMed、MEDLINE 和 SCOPUS 数据库中搜索了所有关于术中成像和导航技术、机器人手术结合 3D 建模和 3D 打印在腹腔镜或机器人辅助腹腔镜根治性前列腺切除术中使用的全文英文文章，以帮助外科医生识别前列腺、癌症病变和前列腺周围结构。对考虑人工智能和机器学习的作用及其在机器人手术中的应用的文章进行了额外的搜索。我们排除了在开放性根治性前列腺切除术中使用术中导航技术的研究和考虑使用技术来显示淋巴结的研究。最初，两位审稿人独立筛选标题和摘要，以选择出版物进行全文审阅。

术中影像技术

经直肠超声检查 (TRUS)

术中 TRUS 能够成像前列腺轮廓并检测低回声前列腺癌结节 [ 8 ]。引入具有三维 (3D) 重建的多普勒使 TRUS 更可靠地成像囊外延伸 (ECE) 和前列腺周围解剖结构，例如神经血管束 (NVB) [ 9]。此外，TRUS 可以使用 Tilepro 轻松集成到机器人控制台中。Tilepro 是机器人系统的一项可用功能，允许在机器人控制台屏幕上同时查看多个图像。然而，它的准确性取决于用户的解释，并且会随着包括与前列腺组织充分接触和组织变形在内的后勤因素而变化。尽管有这些限制，TRUS 是最容易获得的术中成像形式，因为 Tilepro 功能允许控制台外科医生实时查看超声图像。

浮村等人。是第一个检查在腹腔镜根治性前列腺切除术 (LRP) 期间使用实时 TRUS 以改进关键结构的术中识别并评估 TRUS 对手术切缘的影响。他们回顾性地比较了 217 例没有术中 TRUS 的 LRP 和 77 例有术中 TRUS 的病例。在后一组中，阳性手术切缘显着降低，从 29% 降至 9%。此外，作者能够在 53% 的患者中发现低回声病变。术中 TRUS 对诊断囊外延伸 (ECE) 的总体预测价值为 74%，其中有限 ECE 为 65%，晚期 ECE 为 86% [ 10 ]。

从那时起，许多研究报告了在 RALP 期间使用术中TRUS [ 11、12、13、14、15 ]。van der Poel 等人的一项研究。发现在 RALP 的学习阶段使用术中 TRUS 有助于指导膀胱颈清扫，前列腺基底的阳性手术切缘显着减少 [ 16 ]。其余五份可用报告是可行性研究；其中四人在 RALP 期间评估了 TRUS 机器人的可行性 [ 11 , 12 , 13 , 15]，而一项研究报告了使用头戴式显示器 (HMD) 同时可视化不同成像模式的可行性 [ 14 ]。

Han 等人介绍的第一个 TRUS 机器人（图 1和图2 ）。由操纵杆控制，图像显示在超声机屏幕上，而 Mohareri 等人描述的最新 TRUS 机器人的图像。可以使用 TilePro [ 11 , 15   ]实时获取。TRUS 作为一种导航技术的缺点包括对用户的依赖、需要额外的机械臂来控制换能器以及在后部解剖完成后CO 2对 TRUS 图像的降解 [   17 ]。

图。1  

经爱思唯尔公司许可转载 [ 11 ]  

具有机器人定向远程运动中心模块的 TRUS 机器人。它使 TRUS 探头在两个方向上旋转以进行定向，并使 TRUS 探头绕其轴旋转。  

图 2  

经爱思唯尔公司许可转载 [ 11 ]  

前列腺体积的旋转扫描、显示彩色多普勒活动的超声图像以及前列腺和神经血管束 (NVB) 中血管的 3D 模型。  

微型传感器

为了克服上述 TRUS 的缺点，Shoji 等人。开发了一种液滴式微传感器探头，足够小（直径为 16 × 9 mm），可用于骨盆的有限空间。对 10 名接受 RALP 的患者进行了可行性研究。作者描述了微型传感器有助于识别膀胱颈，从而在所有情况下都可以保留膀胱颈。此外，使用微型换能器探头，作者能够识别四个低回声病变。在 NVB 释放时，从前列腺侧面向下扫描到外侧蒂，可以识别前列腺边缘，以及它与 NVB 最近血管的关系。在这个小队列中，所有患者的手术切缘均为阴性。尽管微型换能器易于操作并且允许在有限的骨盆空间内轻松调整角度，但其小尺寸将扫描尺寸限制在 9 mm。这使得通过单次扫描可视化整个前列腺和癌症扩展是不可能的[17 ]。

增强现实

静止的

增强现实允许将术前和术中图像叠加到外科医生的手术视野 [ 18 ]。四项研究报告了在微创根治性前列腺切除术中使用AR [ 19、20、21、22 ]。汤普森等人。通过将未经处理的 T2 加权二维 MRI 图像叠加到可以在单独的屏幕上查看的内窥镜手术区域上，测试了一种非常简单的 AR 形式。作者描述了这种方法的局限性，包括无法获得 3D 图像，并且由于无法进行实时成像，因此无法清楚地显示肿瘤 [ 19 ]。

辛芬多弗等人。测试了在 RALP 期间将基于 TRUS 数据的虚拟 3D 前列腺模型叠加到腹腔镜视频图像上。使用多普勒和 TRUS-MRI 融合，作者能够可视化 NVB 和肿瘤位置。在 98% 的计算中，3D 模型被准确叠加。在可行性研究之后，作者通过配对比较在 19 例 RALP 期间测试了基于标记的 TRUS 导航系统对手术切缘的影响。他们发现，与对照组相比，基于标记的 TRUS 导航与显着较低的手术切缘阳性率相关（26% 对 36%）。与类似技术一样，常见的缺点是在器官严重变形或针头阻塞的情况下会产生误导性的计算。20 ]。

浮村等人。还开发了前列腺的虚拟 3D 模型，其中包括基于 3D TRUS 引导或 MR/TRUS 弹性图像融合引导的前列腺活检的活检证实的癌症病变、NVB 和尿道。3D 模型通过 Tilepro 投影为第二张图像。方向是由助手手动完成的。90% 的病例实现了阴性手术切缘。在将 TRUS 与基于 MRI 和经活检证实的癌核长度模型进行比较时，TRUS 和 MRI 都显着低估了肿瘤大小。TRUS 模型的肿瘤体积为 48%，MRI 模型的肿瘤体积为 82%，活检证实的核心长度肿瘤体积为实际病理体积的 90% [ 22 ]。

波皮利亚等人。描述了将术前高分辨率多参数 MRI 获得的 3D 虚拟模型集成到机器人控制台中的 30 名患者病例系列（图 3和图4 ））。这种导航技术的新颖之处在于将 3D 重建集成到机器人控制台中，从而实现一体化叠加成像，而不是通过 TilePro 获得第二张图像。在 cT2 和 cT3 病变中评估了 AR 技术的影响。在这个系列中，cT2 肿瘤接受了完整的神经保留技术，没有阳性手术切缘。在 cT3 疾病的情况下，标准的神经保留是在 AR 引导下在疑似囊外延伸水平进行活检。在这些患者中，AR 引导的选择性活检证实了 78% 的活检中的 ECE 位置。值得注意的是，在标本取出后，前列腺体积被扫描并与 3D 重建进行比较。3D 重建与扫描的前列腺之间的不匹配范围为 1 至 5 mm，23 ]。

图 3  

经爱思唯尔公司许可转载 [ 23 ]  

来自术前高分辨率多参数 MRI 的虚拟 3D 前列腺模型。红色 = 癌症病变，蓝色 = 神经血管束，黄色 = 导管。  

图 4  

经爱思唯尔公司许可转载 [ 23 ]  

将虚拟 3D 前列腺模型集成到叠加在内窥镜区域上的机器人控制台中。  

弹性图

可以说，3D 建模在机器人手术中最有希望的应用是弹性成像的结合。波皮利亚等人。使用超精确 3D 重建技术创建精确的 3D 虚拟模型。这与基于 AR 的动态、实时弹性系统相结合，以模拟由机器人器械引起的组织变形，但必须手动完成叠加。作者评估了他们的 3D 弹性系统在识别包膜受累的存在和位置方面的准确性，在疑似受累的区域放置金属夹。他们的 3D 弹性成像系统在识别 20 名患者的包膜受累方面 100% 准确。他们将此与传统的 2D 认知程序进行了比较，后者的准确率为 47%，p  < 0.05 [   24 ]。

3D打印模型

埃宾等人。还评估了使用 3 T MRI 在非手术环境中使用 3D 打印前列腺模型的情况。他们认为，专家观众在 3D 打印模型中的肿瘤定位精度较低是由于与这项新技术相关的学习曲线，这与书面 MRI 报告和 MRI MDT 演示等常用方法相反。使用他们经过验证的评分系统，书面 MRI 报告的准确率为 81.5%，MRI MDT 演示的准确率为 88.8%，3D 模型解释的准确率为 63% [ 25 ]。

申等人。使用 3 Tesla MRI 创建定制的患者特定前列腺和指标病变模型，这些模型在术中用于帮助指导前列腺周围解剖。术前MRI作为靶向融合活检的基础。来自 MRI 的 3D 体积数据用于生成模型，该模型包括半透明的橙色前列腺、经活检证实的红色指数病变和黄色的神经血管束。所有五名患者的最终组织病理学检查结果均为阴性 [ 26 ]。

波皮利亚等人。描述了使用 3D 打印模型作为术中辅助手段。作者从多参数 MRI (mpMRI) 图像中渲染了一个 3D 打印模型，以帮助患者咨询、手术计划和提供解剖学表示。这些模型结合了前列腺、前列腺癌病变和 NVB 的细节（图 5）。根据作者的调查，这些被手术外科医生和专家观众视为有用的工具。泌尿科医生调查认为 3D 模型打印对于欣赏神经血管解剖和根尖解剖特别有用。然而，作者承认，尽管使用 1.5 Tesla MRI [ 27 ] ，但由于分辨率较低，mpMri 前列腺碱基模型不如基于 CT 的肾脏模型准确。

图 5  

经 Springer Nature 许可转载 [ 27 ]  

前列腺的 3D 打印模型（肿瘤 = 红色，NVB = 橙色），由 MRI 采集、分割和 3D 虚拟模型重建生成。  

光学成像

光学成像技术依赖于检测生物组织中的光，无论是来自内源性分子还是外源性输送的造影剂（如荧光素）。尽管大多数技术仍在体外进行测试，但有些技术已经在体内进行了测试，并取得了可喜的结果 [ 28 ]。四项研究报告了在微创根治性前列腺切除术中使用光学成像（表1）。

表 1 腹腔镜或机器人辅助根治性前列腺切除术中使用的光学成像  

荧光成像

在泌尿外科，5-氨基乙酰丙酸 (5-ALA) 用于检测膀胱癌患者的浅表病变。5-ALA 可在计划手术时间前 3 小时口服给药，并使用光动力诊断 (PDD) 系统在肿瘤组织中检测到较高浓度。该系统需要使用兼容的腹腔镜相机。甘泽等人。研究了其在 24 名接受 RALP 的患者中检测阳性手术切缘的潜力（图 6）。在每个程序中，使用白光和蓝光评估切除边缘。组织病理学证实 8 例患者的手术切缘阳性。与未检测到阳性切缘的白光内窥镜相比，使用蓝光检测到 8 个 (75%) 阳性手术切缘。在 2 例中，组织病理学无法证实阳性蓝光发现。总体敏感性和特异性分别为 75% 和 88.2% [ 29 ]。

图 6  

经 Mary Ann Liebert Inc [ 29 ]许可转载  

使用白光查看打开的尿道（P 前列腺、U 尿道、C 导管）。B使用 PDD 的荧光成像显示阳性手术切缘，前列腺癌浸润顶点和尿道。  

近红外（NIR）技术是术中荧光成像领域相对较新的发展。与可见光范围（390-700 nm）内的染料相比，近红外光在组织中的穿透深度更高（高达 1 cm），更适合对浅层和深层结构进行成像。吲哚菁绿 (ICG) 是一种分子，当被近红外光激发时会引发可检测的光子发射 [ 30 ]。ICG 的静脉内给药用于识别血管灌注和区分组织密度，并且首先由 Porpiglia 等人在泌尿外科中进行了描述。肾部分切除术期间 [ 31]。由于人眼看不到近红外光，因此需要近红外荧光相机系统和专用软件。曼加诺等人。使用 ICG 荧光成像来识别“标志性”动脉并改善 RALP 期间 NVB 的可视化和保存。他们比较了 26 名患者和 26 名对照组的 ICG 使用情况。他们能够在 100% 的病例中识别出 NVB，而不会出现并发症或增加手术时间 [ 32 ]。

光学相干断层扫描

OCT 的原理与超声检查的原理相似，只是它使用 NIR 光而不是声波。可以获得深度为 1-2 mm 和分辨率为 10-30 µm 的图像 [ 33 ]。阿伦等人。研究了在 24 例腹腔镜或机器人辅助根治性前列腺切除术中使用 OCT 进行组织映射和识别 NVB 的可行性。在 4 名患者中，他们通过用缝合线标记 OCT 成像的确切点，将 OCT 图像与组织病理学结果进行了点对点比较（图 7 ））。OCT 能够成功区分前列腺包膜、脂肪、淋巴管和 NVB，因此具有帮助保留神经的潜力。不幸的是，该技术高度依赖于操作员，并且由于深度穿透有限，无法对更深的组织结构进行成像 [ 34 ]。

图 7  

经 Mary Ann Liebert Inc [ 34 ]许可转载  

左图，非保留神经机器人前列腺切除术后前列腺标本右侧 NVB 的离体 OCT 图像。右图，相应的组织病理学检查，确认存在右侧 NVB（用箭头标记）。  

共聚焦激光显微内镜

共聚焦激光显微内镜 (CLE) 是一种光学成像技术，可提供 1000 倍放大的高分辨率组织学样图像，用于体内显微组织评估。CLE 在光纤探头中使用低功率激光束来获取实时显微图像。需要使用嵌套在细胞外组织基质中的局部/静脉内荧光素。在激发下，荧光素发射的反向散射光通过针孔聚焦，而来自周围组织的反向散射光被拒绝。这会导致对焦点所在的一个特定组织平面进行高分辨率成像（图 8）[ 35]。洛佩兹等人。在 RALP 期间对 15 名患者进行了 CLE，并能够识别前列腺包膜、膀胱颈、尿道和 NVB。没有报告与 CLE 程序相关的不良事件。然而，由于 240 µm（微米）的小视野和 60 µm 的有限深度，成像更大的区域和更深的结构（例如肿瘤本身）是不切实际的 [ 36 ]。

图 8  

经 Wolters Kluwer Health Inc 许可转载 [ 36 ]  

CLE 塔。B通过 12 毫米腹腔镜端口插入的成像探头。C神经血管束的共聚焦成像，启用 TilePro 功能。D使用通过 19 号血管导管插入的较小直径探头对分开的膀胱颈进行共聚焦成像，可以看到膀胱固有层的脉管系统。  

人工智能和机器学习

图像引导手术技术与人工智能的结合可能会在未来实现自主机器人手术。图像引导手术还可以提供视觉信息来弥补触觉反馈的不足 [ 37 ]。手术中的人工智能旨在“通过执行决策来实现目标”[ 38 ]。自主手术设备旨在消除变异性以实现一致的手术结果并消除人为指导 [ 39]。作为一个早期的例子，Shandeman 等人。描述了一种智能组织自主机器人（STAR），它使用缝合算法、3D成像和荧光成像的组合来进行体内监督的自主软组织缝合。在实验环境中，STAR 在数量上优于专家外科医生的结果 [ 40 ]。

机器学习是人工智能的一个子集，其中机器人的决策基于从以前的经验和模式识别中学习。机器学习无需显式编程即可完成手术任务，而不是显式编程特定任务 [ 41]。机器学习算法应用于连续的感官输入，这将使机器人能够解释数据以预测手术结果并“根据其经验实时完成任务”。Panesar 等人。建议将这些算法与机器人手术的物理优势（即抗震性）相结合可能包括诸如减少手术时间、减少技术错误、更好的解剖通路和改善手术结果等好处。机器学习也可用于衡量性能指标。Panesar 等人。概述了自主等级及其在手术机器人中的拟议应用。这些范围从 1 级（指提供一些帮助，例如术中图像引导）到 5 级（指完全自动化）[ 39 ]。

讨论

在欧洲机器人泌尿外科学会认可的一项调查中，几乎 80% 的响应者认为图像引导手术（例如 AR）在 RALP 期间可能会有所帮助，尤其是对于保留神经的手术 [ 42 ]。在本文中，我们概述了可用于帮助外科医生在微创根治性前列腺切除术后实现负手术切缘、保持节制和效力的“三重”结果。三项研究比较了在微创根治性前列腺切除术中使用术中导航技术与对照组。在这些研究中，两项研究使用了 TRUS，一项研究了 AR。所有三项研究都发现使用术中导航技术显着降低了手术切缘阳性率 [ 10, 16 , 20 ]。纳入的研究均未研究术中导航技术对保持节制和效力的影响。其他研究已经证明 3D 打印作为术中辅助和患者咨询辅助的潜在功效。

理想情况下，完美的术中导航或成像技术应该能够在术中可视化前列腺、前列腺周围结构、尿道和癌灶。同时，该技术需要跟踪前列腺变化，调整组织变形，并在 AR 的情况下提供完美的图像对齐。从患者安全的角度来看，这些要求是绝对必要的，也是为了确保可靠和可重复的手术结果。尽管目前在该领域已经取得了进展，但所讨论的术中成像技术都没有满足上述要求。使用 ICG 的荧光成像虽然是实时的并且不受图像重叠或组织变形等问题的干扰，但只能显示 NVB，因此，32 ]。OCT 和 CLE 不受组织变形和器官运动的影响，但只能在微观水平上实时识别不同的解剖结构 [ 34 , 36 ]。术中 TRUS 具有实时可视化前列腺、尿道和 NVB 的优势，并且已经证明有助于减少阳性手术切缘 [ 10 , 16 ]。然而，在大多数情况下，TRUS 无法显示肿瘤，而且在 MRI 时代，仅依赖 TRUS 成像是一个潜在的限制。

将术前 MRI 的 3D 重建与 AR 相结合似乎是一项非常有前途的技术。毫无疑问，它是一种用于前列腺、前列腺周围结构和癌症病变可视化的新方法 [ 23 ]。实时弹性成像和动态叠加的出现也可能提供新的精度水平 [ 24 ]。最后，3D 前列腺模型打印还可能有助于勾勒出前列腺解剖结构、癌症和 NVB，以帮助控制癌症和保护神经[ 25、26、27 ]。

本综述的一个局限性是该领域出版物的总体证据水平不理想。上述研究的共同缺点包括队列规模小和缺乏随机化。此外，大多数这些研究的重点只是新的术中技术的可行性。迄今为止，尚未进行随机试验来比较微创根治性前列腺切除术有或没有术中成像或导航技术。因此，有必要进行大规模随机试验，重点探索术中成像和 AR 在 RALP 中的潜在益处，以便泌尿外科医生可以自信地采用这些技术来改善手术结果。

结论

在微创根治性前列腺切除术中使用术中技术是一个不断发展的领域，旨在改善手术结果。目前结合图像引导手术和机器人技术应用的研究导致了有前途的新术中成像技术的发展，例如增强现实、荧光成像、光学相干断层扫描、共聚焦激光内窥镜检查和 3D 打印。目前，关于组织变形和前列腺运动自动跟踪的挑战仍未解决。此外，支持使用这些技术的文献很少。鼓励泌尿外科医生在临床领域改进和测试这些先进技术，最好通过比较、随机试验。