结直肠手术中增强的现实和术中成像

概要
结肠直肠手术是世界上最常见的手术之一，在美国每年有超过60万次手术，全世界有超过100万次手术。在过去的二十年中，出现了最小化的明显趋势，外科医生已经接受了这种发展。普遍采用先进的微创手术往往受到程序复杂性和对特定技术技能的需求的限制。此外，3D视力的丧失，手术区域的有限概述以及触觉感觉的减弱使得主要的结肠​​直肠手术更具挑战性并且对外科医生的学习曲线产生影响。新技术正在出现，可以弥补与腹腔镜相关的一些感官损失。高清图像采集，3D相机系统以及生物标记物的使用将允许改进目标结构的识别并帮助将它们与周围组织区分开。在本文中，作者描述了一些可用的新技术，特别是关注生物标记物和荧光腹腔镜成像的可能影响。

关键词：腹腔镜结直肠癌切除术，结直肠手术，生物标志物，吲哚青绿，增强现实，成像

提高结直肠手术的实际性
恢复3D视觉
3D视觉对于判断深度，空间定位和不同反射表面的感知很重要。所有这些元素对于涉及组织解剖和缝合的任何外科手术都是基础。 3D视力的丧失发生在标准腹腔镜检查中，其引起现实的扭曲并且需要外科医生的适应。然而，这可以通过使用提供3D视觉的新腹腔镜来部分克服。虽然很少有出版物专门研究3D视觉在腹腔镜手术中的益处，但很明显3D视觉的恢复是使用机器人平台的关键优势。

基于白光反射和有限的触觉反馈，人体解剖学的围手术期感知仍然非常粗糙，但术前放射图像提供了潜在的丰富知识，现在是任何诊断为结直肠的患者的常规诊断评估的一部分癌症。

很少有外科医生能够在手术期间使用从这些图像中获得的所有信息。使用开源DICOM兼容的免费软件（OSIRIX，Pixmeo，Geneva，Switzerland）2允许外科医生通过血管重建或标记肿瘤的位置来改善他们的现实感知。完成此操作后，可将其作为图像叠加层导入影院，以帮助在操作过程中进行导航。术前计算机断层扫描（CT）肠系膜血管造影可用于识别解剖变异.3例如，最近的一项随机对照试验表明，术前获得肠系膜血管三维CT重建的外科医生手术时间较短，可以更好地识别异常血管解剖0.4

较小的肿瘤，如果没有标记的腔内纹身，也可以绘制出来以便更好地定位。然而，即使是目前最先进的系统还没有准备好实时做到这一点，因为将术前成像与手术视图相结合的能力有限，包括处理组织畸形和运动伪影。

使用生物标志物和荧光成像
外科医生一直依靠白光来照亮他们的视野。历史上，手术室位于建筑物的顶部，例如位于伦敦圣托马斯教堂阁楼的旧手术室和波士顿马萨诸塞州综合医院的Ether Dome。它们的位置允许最大量的光进入手术室，并强调需要外科医生所需的最佳视觉条件。不幸的是，解剖结构不像标准解剖学教科书中所呈现的那样明显且差异化。实际上，在白光可视化下，身体结构在红色，黄色，白色和灰色的有限阴影中变化，使得难以识别哪些结构是重要的以及哪些需要被移除。

近年来，人们对荧光的使用有很大的兴趣来帮助指导手术。具有固有荧光或与荧光团结合的生物标志物可以通过以下方式用于外科手术：

识别正常的解剖结构。

识别异常组织，如发育不良或癌症。

评估组织的灌注和微血管以进行伤口愈合或评估吻合。

评估淋巴引流并识别前哨淋巴结。

生物标志物可以是特异性的或非特异性的。特异性生物标志物仅与其靶标结合，通常不发荧光，因此需要缀合的荧光团。非特异性生物标志物本身具有荧光性，虽然它们不与任何靶标特异性结合，但它们有助于识别体内的天然通道，例如淋巴结引流，血管。

荧光成像的原理是使用特殊的内窥镜，其释放特定波长（激发波长）的光，然后刺激生物标记物释放的信号（发射波长）。从内窥镜检测从生物标记物发射的荧光信号，并将图像数字地映射到屏幕上。然后可以将荧光图像映射在白光图像上。

大多数荧光引导手术使用近红外（NIR）技术，因为使用该波长导致更大的组织穿透深度和组织自发荧光的减少。近红外内窥镜最常与吲哚菁绿（ICG）一起用作非特异性生物标志物。临床上批准ICG用于患者，副作用很少（过敏反应1 / 300,000）和非常大的安全范围，最大剂量为2mg / kg体重。目前有两种内窥镜可用于腹腔镜（Pinpoint，Novadaq，加拿大和D-Light，Storz，德国）的NIR成像和一种用于机器人手术（Firefly，Da Vinci，Intuitive Surgical，Inc.，Sunnyvale，CA）.5荧光腹部手术中的成像也是可能的（Spy Scope，Novadaq，Richmond，British Columbia，Canada）。

识别正常结构
在手术期间，通常难以识别位于手术区域内的重要结构，其需要被保存以保存正常的生理功能。尽管此应用之前尚未用于结肠直肠手术，但荧光生物标志物已被用于分别识别和保护动物模型和患者的神经和胆管系统。

在手术过程中识别神经很重要，因为意外伤害会导致神经和生理功能的显著损害。然而，外周神经通常难以识别并且可能涉及患病组织。 Whitney等在小鼠模型中证实，当静脉注射时，荧光NP41肽定位于周围神经周围的结缔组织，并突出显示这些神经而没有任何明显的毒性.6同样的探针也标记了人体组织样本中的神经。

ICG由肝脏代谢并排泄到胆管树中。这已被用于荧光胆管造影术，其中胆管树可在静脉注射ICG后在腹腔镜手术中突出显示。在一项对52名患者的研究中，7 Ishizawa等人证实，ICG可以实时识别胆囊管 - 肝总管连接处，以及8名患者的辅助胆管。同样，ICG已被证明有助于在机器人胆囊切除术中描绘胆管系统，胆囊管和胆总管在97.8和96.1％的病例中可见.8

识别发育异常和癌症
荧光生物标志物已被用于帮助识别手术期间的发育异常和癌症。

最常用的生物标志物之一是5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）。 5-ALA被肿瘤代谢成原卟啉IX，其在蓝光下发荧光。迄今为止，最大的临床研究涉及322名接受恶性胶质瘤手术的患者，这些患者被随机分配到常规白光显微手术或5-ALA荧光引导手术。这项研究表明，5-ALA荧光可以指导外科医生进行更完整的肿瘤切除，从而提高无进展生存率.9在结直肠手术中，大多数5-ALA的工作都是在动物模型上进行的.10 11然而， Kondo等证明，5-ALA能够识别白光视觉中未见的结直肠癌患者的腹膜转移.12

还开发了特异性分子标记物，其鉴定在癌发生过程中在细胞表面膜上发生的特定分子变化。在上皮性卵巢癌中，叶酸受体-α（FR-α）表达在90％至95％的患者中增加。 van Dam等证明荧光素标记的叶酸是FR-α的配体，能够在术中检测出表达FR-α的肿瘤，并且与单独的白光可视化相比，还可以检测出额外的肿瘤沉积物，这表明该工具可能是适用于术中分期和根治性细胞减灭术.13

凝集素是特异性碳水化合物识别蛋白，可用于帮助识别发育不良和癌症，因为糖基化变化在癌发生早期发生。 Bird-Lieberman等人已经证明荧光素标记的小麦胚芽凝集素（WGA）在模拟内窥镜检查的条件下可以作为体外切除标本中Barrett食管发育异常的阴性标记，单独使用白光检查就会漏掉这种标记.14可能在结直肠肿瘤中有应用。尽管使用阴性标记鉴定发育不良似乎并不直观，但阳性标记并非没有其局限性。对于阴性标记物，存在假阳性结果的风险，而对于阳性标记物，存在假阴性结果的风险，这对患者更具破坏性。

肠灌注评估
结直肠手术的主要并发症之一是吻合口漏。这对于患者，外科医生和医疗保健提供者来说是结肠直肠手术的破坏性并发症。回肠吻合术的平均泄漏率在1％至3％之间，但对于低位结肠直肠吻合术，平均泄漏率可高达20％.15吻合口愈合过程可分为三个步骤：炎症期（0-6天），增殖阶段（3-10天）和愈合阶段（6-15天）。在最初的炎症过程中，存在强烈的炎性细胞浸润，分泌新的细胞外基质。胶原蛋白I与胶原蛋白III的比例在愈合期间将发生变化，并且在该过程结束时将存在少于10％的胶原蛋白III。新血管形成在术后第4天开始，将使吻合完全愈合。虽然血管内皮生长因子（VEGF）的使用会降低吻合口的漏气率，但是吻合良好的灌注是必不可少的，以便进行适当的治疗.17动物研究表明吻合吻合术的愈合方式与治疗吻合的方式相同。如果微血管化保存良好，可以进行简单的肠切开术。18

已经证明多种因素与吻合口漏有关，包括患者合并症，例如年龄，性别（男性），吸烟习惯，糖尿病，营养状况和类固醇的使用。术中技术问题涉及其他因素，如失血（或输血），切除类型，引流管的使用，烧伤的吻合器线数，吻合口周围血肿，脓肿和施工时的吻合张力虽然泄漏的原因是多因素的，但很少有因素可以很容易地修改以防止泄漏。然而，在手术期间评估结肠灌注是其中之一。

已经开发了大量工具来试图解决这个问题，但是还没有一种工具被用于日常临床实践中。腹腔镜手术的理想工具应该易于使用，准确，最小的假阴性结果，更重要的是，少量或没有误报。它尽可能客观，可重复，具有成本效益。虽然组织良好灌注的传统临床标准包括确定出血边缘血管和粉红色血管粘膜，但较新的技术试图使这一步骤更加客观（表1）。

表格1
评估吻合口血供的技术

吻合处的微循环在任何吻合口裂开中起着至关重要的作用。如在开放手术中使用静脉血管造影的研究所示，划分结肠血供导致小血管侧支的丢失，但这在日常实践中是不实际的.20然而，使用ICG的NIR技术似乎具有所需的所有特征。可以在腹腔镜手术中使用它，它易于使用，可重复且准确。

一旦作者能够实时评估吻合口的微血管形成，就可以改变手术过程以防止泄漏的发生。在手术期间，将常规范围替换为NIR范围，给予ICG的静脉内注射，并且可以在吻合之前和之后评估所制备的结肠。可以使用经过修正的直肠镜检查吻合口腔和腔内检查。图1给出了实时评估微血管化的NIR成像的实例，显示了血管分裂后信号丢失水平的明显截止。图2显示吻合术完成后的NIR荧光。


图1
在低前切除术后血管分裂后的近红外（NIR）成像（左上：正常视图，左中：NIR模式，左下：复合视图混合）。 （A）在注射吲哚菁绿（ICG）之前，钳夹显示了计划的横断水平。 （B）在主屏幕上用复合视图显示信号后，显示信号的清晰截止。


图2
在低前切除术中进行一对一吻合术后的近红外（NIR）成像（左上：正常视图，左中：NIR模式，左下：复合视图混合）。 （A）注射吲哚菁绿（ICG）之前。 （B）ICG注射后，主屏采用近红外黑白图像，显示吻合口微灌。

由于这是一个如此新颖的研究领域，因此只有少数前瞻性可行性研究已经发表。 Sherwinter等[21]对使用经肛门NIR成像进行低位前切除的20例患者进行了可视化，发现50％的吻合口周围灌注不良的患者发生了泄漏。 Jafari等[22]在一个小型前瞻性机器人系列患者中进行了低位前切除，使用NIR成像导致吻合口漏率从18％降至6％。最近在机器人手术中的研究证实了这一点，其中成像导致40％患者的近端横断区域发生变化，并导致这些患者的吻合口漏率为5％.23最后，在作者的小型前瞻性研究中腹腔镜结直肠切除术中，作者在一组选定的低位前切除和高位前切除或右侧半切除术中没有出现漏洞.24一项较大的前瞻性研究，即PILLAR研究，即将报告具有相似的低泄漏率。

在预防吻合口漏方面，特别是在低位前切除术后，有许多关于这项技术的知识。虽然这些早期研究很有希望，但仍需要进一步完善该技术。关于腔内成像是否优于腔外成像，以及灌注信号是否可以量化，仍然存在突出的问题。显然，在建立这项新技术的好处之前，需要进行随机对照试验。

淋巴结定位和结直肠癌定制手术的潜力
目前，对于所有患有结肠直肠癌的患者，无论分期和肿瘤大小如何，都建议进行相同的外科手术（切除原发病灶和所有引流淋巴结）。随着肠癌筛查计划的引入，更多患者被发现患有早期疾病而没有任何淋巴结。由于这些患者切除正常淋巴结没有治疗益处，因此他们目前正在接受比治疗实际需要的更广泛的手术。这使他们在手术期间受到额外的伤害风险，并且需要比其他情况更长的住院时间。事实上，一小部分患者（约占总数的10％）目前正在接受根治性手术，因为他们的癌症可能通过内窥镜手术可移除（并且可治愈），这种手术不需要移除任何长度的肠并且可以进行可能是一个更简单的程序。

根治手术，经典的肿瘤手术，包括切除尽可能多的淋巴结可能仍然在晚期癌症中占有一席之地，但这会增加发病率和死亡率以及低水平的证据.25占所有重要淋巴结的97.5％在肿瘤5 cm范围内发现26例扩大根治手术是不必要的，特别是在高达22％的病例中，淋巴引流异常.27在这种情况下，如果作者能够正确识别相关节点，那么定制有限切除就足够了。切除时间。这在直肠癌手术中尤其重要，其中患者可能患有长期造口或主要功能障碍。

目前正在为患有乳腺癌，黑素瘤以及最近的早期胃癌的患者开发前哨淋巴结定位的概念。在结直肠癌中，蓝色染料已用于观察切除标本和开放手术中的淋巴结引流模式。结直肠癌的淋巴引流不太可预测。虽然已经证实了初级淋巴结盆中的第一次引流淋巴结，但作者更倾向于使用术语显著的淋巴结。

作者一直在肿瘤周围使用NIR腹腔镜和ICG注射，以在腹腔镜结直肠癌切除术中识别术中显著的淋巴结。作者选择了降结肠，乙状结肠和上直肠的小肿瘤患者。在手术开始时，结肠镜进入直肠。用Co 2充气对于防止结肠过度扩张和随后的切除困难是必要的。在肿瘤周围进行粘膜下注射ICG，30分钟后，可以看到引流淋巴结。可以在手术前一天注射ICG，但这对患者和医院来说可能很难安排。

传统的腹腔镜针对NIR范围进行了更改，并且可以将节点识别为黑色图像上的白色，或者传统图像上的叠加图像，如图3所示。然后可以使用剪辑标记重要节点以用于后续组织病理学分析。


图3
肿瘤吲哚青绿注射后的淋巴结定位（左上：正常视图，左中：NIR模式，左下：复合视图混合）。

现在可以可靠地识别重要节点，仍然存在两个重要问题。作者还没有足够的证据证明节点取样的预测价值和准确性可用于常规临床实践。此外，癌症节点的评估需要在手术过程中实时进行。作者一直在切除标本显著节点上使用一步核酸扩增来测试手术室中即时组织病理学评估的可行性，这项工作正在进行中。

淋巴绘图的使用还可以改善位于标准手术切除（异常引流）领域之外的引流淋巴结的可视化。这种情况发生在约10％至20％的患者中，并解释了为什么某些低风险癌症可能复发。

结直肠手术的结论和观点
作者正在进入一个新的手术时代，外科医生的视力可以通过新技术增强，提供3D内窥镜图像，手术区融合，横断面成像，使用荧光生物标记识别重要结构，提供实时信息血流和结肠微循环，以及之前只有组织病理学家才能看到的淋巴结的术中鉴定。挑战在于将这些令人兴奋的概念转化为癌症结果的改善，手术切除最少，发病率降低，功能结果更好。

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