近红外荧光投影导航技术在  

肝癌术中的首次临床验证

方程, 王飘, 李波, 苏松, 程震, 淦宇, 杨小李, 彭方毅, 索永宽. 近红外荧光投影导航技术在肝癌术中的首次临床验证. 中国普外基础与临床杂志, 2022, 29(8): 1001-1005. doi: 10.7507/1007-9424.202206071

索永宽

中国科学院上海药物研究所、中科环渤海（烟台）药物高等研究院，高级工程师。主要从事医学分子成像技术的研究，长期致力于近红外二区荧光靶向探针及成像系统的研发，攻克了一系列卡脖子技术难题，实现了尖端短波近红外相机的国产化，拥有 10 余项相关技术专利，其中国家发明专利 9 项。主持参与多项国家自然科学基金及省部级重点项目，在Nano-Micro Letters（IF 23.655）、Advanced Healthcare Materials（IF 11.092）等国际期刊发表相关学术论著 10 余篇。

摘  要

目的　临床首次验证无需显示屏、“眼手一致”的近红外荧光投影肝癌手术导航系统的效果。方法　选择西南医科大学附属医院2021年3月至2021年5月期间收治的3例需要行开腹肝癌切除术的患者，应用自主研发的近红外荧光投影系统，在肝癌术中，验证新系统导航的准确性、稳定性和时滞情况。结果　近红外荧光投影系统在肝癌切除全过程中能准确显示肿瘤所在位置、与术中超声划定肿瘤位置无明显差异。近红外荧光投影系统显示的肿瘤位置不受肿瘤位移影响、无肉眼时滞。术后病理检查证实投影范围与肿瘤范围一致。结论　近红外荧光投影新技术革新了肿瘤术中成像方式，在小样本试验中能精确导航开腹肝癌切除手术，通过后续的迭代优化和验证，有望实现临床推广应用。

近年来，吲哚菁绿（indocyanine green，ICG）介导的近红外荧光影像技术已经在外科临床得到广泛推广应用[1]。该技术通过对手术目标区域的荧光标定，协助外科医生实施精准的手术操作。其应用的范围涵盖了肝癌、肝移植、胆道系统疾病、胃癌、乳腺癌、淋巴结清扫、肺癌、妇科肿瘤等[2-6]，而且还在不断拓展中。因此，大型三甲医院都在购置和应用近红外荧光成像设备。现有的设备主要分为开放手术和腔镜手术荧光系统，其共同点是荧光图像必须通过显示屏呈现给手术医生，即医生视线方向和手的操作部位无法一致。熟练的腔镜手术医生可以做到“眼手一致”的实时操作；而对于开放手术，医生的视线则无法持续停留在手部操作区域，需要不断转换于显示屏和术野之间。对于高危和需要精细操作的手术，如肝癌切除等，视线的挪移不但存在潜在的操作风险，而且靠视觉记忆来匹配荧光在病灶的范围，存在必然的误差。

为了解决荧光导航开放手术中存在的上述问题，西南医科大学附属医院李波、方程医师团队和中国科学院上海药物研究所分子影像研究中心程震教授、索永宽教授工程学团队，采用医-工结合模式，共同开发了一套新型近红外荧光投影手术导航系统。该系统的原理是：通过放置或悬置于手术台外的信号采集系统，收集目标病变发射出的不可见近红外荧光的位置信息、强度信息和范围信息，再通过算法转换和编程数字信号的输出，锁定投影系统的可见光发射方向、角度、强度和范围，进而实现在术野中直接投射影像，直视化标定出病灶的范围，而且在目标器官发生位置移动、翻转的情况下，依然能实时投影勾勒出手术目标，且只有人眼无法察觉的毫秒级时滞。该系统彻底摆脱了显示屏对医师视线的牵制，让医生能持续专注于手术区域，并且随着手术的推进，投影范围会实时跟进，实现全程精准手术导航。该系统适用于上述多学科的各类疾病的开放手术，弥补了近红外荧光成像系统在开放手术中的短板。

为了初步验证该系统在临床中的应用效能，合作团队于2021年在西南医科大学附属医院，实施了3例在该系统导航下的肝癌切除手术验证试验。以术中超声及术后病理作为标准，判断该系统的稳定性和准确度。结果显示：该新型近红外荧光投影导航系统，能够实时、精准的标定目标区域，协助外科医生实现全程导航下的肝癌切除手术。

1  资料与方法

1.1   病例资料

选择西南医科大学附属医院2021年3月至2021年5月期间收治的3例需要行开腹肝癌切除术的患者，其一般资料见表1。

表1　纳入患者的一般资料

1.2   方法

首先简要介绍本系统的构成、成像原理和临床应用的部分细节。① 该系统的主要构成包括：激发光部件、近红外荧光信号采集部件、运算算法部件和投影系统。激发部件为带准直头的激光光纤和激光器，其和现有各类荧光设备一致，由助手持消毒后或套有无菌套的激发部件，对准整个术野启动激发光源即可。② 成像原理是：患者于术前24 h注射ICG，术中ICG富集于肝癌病灶，通过激发光的激发，癌灶中的ICG发射出肉眼不可见的近红外荧光；通过手术台外高置或悬吊的主机信号采集系统收集近红外荧光信号，而所有可见光信号将被系统的滤波片滤除；获得荧光信号的主机算法部件经过运算，锁定荧光在整个术野中的空间位置、强度和范围；该数字信息被传输给投影系统；投影系统发射出增强的彩色可见光信号（颜色可自定义）照射到肿瘤目标表面。整个成像过程，可以类比为播放幻灯片，主机的光电转换部件能够“看到”人眼无法识别的近红外荧光，并告知“电脑”，“电脑”再通过“投影仪”将其转换成增强的彩色可见光，完全匹配、重合地照射到发射不可见荧光的同一部位（而常规的荧光设备是将影像呈现在显示屏上，而不是投影到活体组织上）。③ 临床应用中的一点说明：该成像系统只适用于开腹、开胸或体表手术；投影光无法穿透胸壁和腹壁，只能通过手术切口投射到术野；系统需要高置或悬吊于手术室，保证信号采集和投影光不被术者身体阻挡；后续的迭代升级系统会尽量做到和无影灯的角度一致（或多探头均匀绑定在无影灯上），保证只要无影灯能照射到的手术区域，即术者能看到的术野范围，都能实现成像和投影。例如：在开腹肝癌切除术中，切口下无影灯能照射到的肝脏范围，即术者能清晰看到的范围，就是投影系统能标定肿瘤的范围，而无影灯无法照射到的肝脏范围，投影系统也无法标定肿瘤。

3例原发性肝癌患者分别行开腹癌灶切除术或肝叶切除术。术前24 h静脉注射2.5 mg ICG。入腹后游离肝周韧带，充分暴露肝脏。采用近红外荧光投影导航系统（图1a）在肝脏表面投影出癌灶位置（图1b），由投影组主任医师标定手术切除范围，并用电刀在肝脏表面标记（此时超声组主任医师不参与此手术范围划定）。然后由超声组主任医师使用术中超声探查癌灶位置。检测两组划定的肿瘤位置是否一致。开始切除癌灶，并检测整个切除过程中以及肝脏随呼吸移动时，投影位置是否始终与癌灶位置保持一致。切除癌灶后，将标本分别放置于标本台不同位置，判断投影光斑位置是否有变化。关腹结束手术，标本送病理检查。

图1 　示近红外荧光投影导航系统和术中导航效果

a：近红外荧光投影导航系统原型机；b：近红外荧光投影导航技术导航开腹肝癌切除手术（肝脏表面的绿色光斑，勾勒出癌肿在肝脏表面的投影）

1.3   观察指标

本研究的观察指标包括：投影光斑显示的肿瘤位置与术中超声划定肿瘤位置是否一致、投影光斑是否随术中肝脏活动及切除肿瘤标本位置变化发生改变，以及投影光斑所示肿瘤组织边界与术后病理学结果是否一致。

2  结果

投影光斑显示的肿瘤位置与术中超声划定肿瘤位置无明显差异。术中主刀医师观察，在整个切除过程中，投影光斑锁定肿瘤位置，在肉眼下没有投影迟滞。肝脏在随着呼吸移动及术者翻动肝脏的过程中，投影光斑与癌灶即时吻合，没有明显时滞（图2a、2b）。

图2　示采用近红外荧光导航系统精确定位肿瘤并引导肿瘤切除    

a：肝脏表面无投影信号时；b：近红外荧光投影导航技术导航开腹肝癌切除手术（肝脏表面的绿色光斑，勾勒出癌肿在肝脏表面的投影）；c、d：不同摆放位置的无投影光肝癌标本；e、f：不同摆放位置下，投影光准确标定肿瘤边界（低分化腺癌呈现环形荧光）；g：无投影部分病理结果提示正常肝组织（HE 　×200）；h：投影部分病理结果提示低分化腺癌（HE　×200）

投影系统和肿瘤组织标本之间的距离改变不会影响投影光斑的大小、位置和范围（图2c－2f）。切除标本的病理学结果证实，肝癌病灶完整切除，投影部分取样的组织为原发性肝癌，无投影区域无癌组织（图2g、2h）。投影影像能准确标定肿瘤边界（图2c－2f）。

3  讨论

本研究是临床首次在无显示屏情况下，由近红外荧光投影系统直接将癌灶荧光影像，通过可见光投影转换的方式，全吻合地直接标定在器官表面。该技术让外科医生凭借自己的肉眼就能在肝脏表面看到癌灶的投影范围，指导手术切除规划；并且在整个癌灶切除过程中，影像不受器官移动、切面出血等的影响，全程实时跟踪标定癌灶位置，实现了“手眼一致”的荧光导航开腹肝癌切除手术。该技术经初步验证试验证实，投影标定肿瘤位置与超声检测肿瘤规划无明显差异。超声检测需要术者的视线转移，且不能和切除全过程同时进行，每次超声检测需要中断切除进程。我们的结果表明，投影系统能在肿瘤移动过程中实时锁定肿瘤位置，无肉眼时滞，实现了持续的手术导航，并不用在手术台上和脏器表面增加探测探头。此外，术后肿瘤标本病理结果也证实投影系统具有极高的肿瘤定位准确性，能够精准区分肿瘤与正常组织。然而，荧光技术也具有其固有的不足，即探测肿瘤的深度不及术中超声，更适合相对表浅的肿瘤标定[7]。同时，投影光束入射角度有其考究，需尽量避开术者身躯的阻挡，所以采用手术室天花板悬吊的方式，将会更有利于投影角度的选择。由此可见，只有荧光投影技术与术中超声技术互补协同，才能协助外科医生实现更为实时、精准的肝癌切除手术。

此外，荧光投影技术在其他手术中也有望发挥重要导航作用。例如对荧光探测深度要求不高的术式，如肝叶、肝段荧光正、负染色切除过程中，可以全程协助判断肝叶和肝段分界线；在乳腺癌切除、寻找前哨淋巴结的手术中，该技术有望发挥优于现有技术的效能，因为投影线能使手术医师保持眼手一致，更利于各种手术操作的实施；在开腹胃癌切除前哨淋巴结的追踪，以及淋巴结清扫过程中，该技术亦有望发挥突出的导航效能。

然而，本研究所采用的荧光投影系统设备属于初代原型机，整个核心部件体积还较大，同时系统采用放置方式为落地式，所以改进的空间还较大。改进的方向是：小型化、悬吊式、自动角度转换跟随以及便于消毒。但即使是原型机，其所占手术室空间仍小于一些放置显示器的台柜，可以远离手术区域放置，有部分角度调整跟随能力。

综上，本研究展现了一种新的术中影像导航方式及理念，且在临床上尚无类似系统的相关报道，属于临床首次。随着该系统的迭代升级，有望实现一种在浅表器官荧光导航手术或开放式胸腹腔荧光导航手术中，无需显示屏、全程多角度“手眼合一”的手术导航新技术。可期，该技术将在多学科疾病的手术中得以验证和推广，进一步拓展近红外荧光影像技术在外科临床应用的新进步。

重要声明和参考文献略。

专家点评

严律南

四川大学终身教授、中国医疗保健国际交流促进会肝胆疾病专业委员会主任委员、《国际肝胆胰外科杂志（英文版）》副主编。荣获四川省五一劳动奖章、“健康四川•大美医者” 荣誉称号，被授予四川省医疗卫生终身成就奖。在肝切除方面，在国际上首创了格氏鞘外简易半肝血流阻断技术及勾扎法断肝技术，建立了转流下切肝、体外肝切除、肝后腔静脉切除重建等高难复杂技术。在肝移植方面，首次提出了适合中国人群的标准肝计算公式，并施行了国内第1 例成人活体肝移植及活体双供肝肝移植，创造性地采用了双供肝活体肝移植的方法以预防小肝综合征，首次提出用介入选择性脾动脉栓塞治疗小肝综合征；提出了“成都标准”，弥补了国际上“米兰标准”的不足。为活体肝移植在我国的推广做出了奠基性贡献。编写了5 部中文及1 部英文肝癌及肝移植专著；发表高质量SCI 论文200 余篇；成果获四川省科技进步一等奖、华夏科技奖一等奖、教育部科技进步一等奖等。

本文描述了西南医科大学附属医院的医师团队和中国科学院上海药物研究所分子影像研究中心的工程学团队，应用医-工结合模式，共同开发了一套新型近红外荧光投影手术导航系统。该系统可以成功地、直视化地、实时地在开腹手术中标定出病灶的范围，而且在目标器官发生位置移动、翻转的情况下，依然能实时投影勾勒出手术目标。该系统摆脱了显示屏对医师视线的牵制，让医生能持续专注于手术区域，并且随着手术的推进，投影范围会实时跟进， 实现全程精准手术导航。

西南医科大学附属医院实施并报道了3 例开腹肝癌切除术的病例，证明了该系统的实用性和可操作性，是一项值得关注的医工结合的成功案例，期望在进一步的改进和完善后，能在多学科疾病的手术中得以验证和推广，成为外科医生有力的助手！