結直腸手術中增強的現實和術中成像

概要

結腸直腸手術是世界上最常見的手術之一，在美國每年有超過60萬次手術，全世界有超過100萬次手術。在過去的二十年中，出現了最小化的明顯趨勢，外科醫生已經接受了這種發展。普遍採用先進的微創手術往往受到程序複雜性和對特定技術技能的需求的限制。此外，3D視力的喪失，手術區域的有限概述以及觸覺感覺的減弱使得主要的結腸??直腸手術更具挑戰性並且對外科醫生的學習曲線產生影響。新技術正在出現，可以彌補與腹腔鏡相關的一些感官損失。高清圖像採集，3D相機系統以及生物標記物的使用將允許改進目標結構的識別並幫助將它們與周圍組織區分開。在本文中，作者描述了一些可用的新技術，特別是關注生物標記物和熒光腹腔鏡成像的可能影響。

關鍵詞：腹腔鏡結直腸癌切除術，結直腸手術，生物標誌物，吲哚青綠，增強現實，成像

提高結直腸手術的實際性

恢復3D視覺

3D視覺對於判斷深度，空間定位和不同反射表面的感知很重要。所有這些元素對於涉及組織解剖和縫合的任何外科手術都是基礎。3D視力的喪失發生在標準腹腔鏡檢查中，其引起現實的扭曲並且需要外科醫生的適應。然而，這可以通過使用提供3D視覺的新腹腔鏡來部分克服。雖然很少有出版物專門研究3D視覺在腹腔鏡手術中的益處，但很明顯3D視覺的恢復是使用機器人平台的關鍵優勢。

基於白光反射和有限的觸覺反饋，人體解剖學的圍手術期感知仍然非常粗糙，但術前放射圖像提供了潛在的豐富知識，現在是任何診斷為結直腸的患者的常規診斷評估的一部分癌症。

很少有外科醫生能夠在手術期間使用從這些圖像中獲得的所有信息。使用開源DICOM兼容的免費軟體（OSIRIX，Pixmeo，Geneva，Switzerland）2允許外科醫生通過血管重建或標記腫瘤的位置來改善他們的現實感知。完成此操作後，可將其作為圖像疊加層導入影院，以幫助在操作過程中進行導航。術前計算機斷層掃描（CT）腸系膜血管造影可用於識別解剖變異.3例如，最近的一項隨機對照試驗表明，術前獲得腸系膜血管三維CT重建的外科醫生手術時間較短，可以更好地識別異常血管解剖0.4

較小的腫瘤，如果沒有標記的腔內紋身，也可以繪製出來以便更好地定位。然而，即使是目前最先進的系統還沒有準備好實時做到這一點，因為將術前成像與手術視圖相結合的能力有限，包括處理組織畸形和運動偽影。

使用生物標誌物和熒光成像

外科醫生一直依靠白光來照亮他們的視野。歷史上，手術室位於建築物的頂部，例如位於倫敦聖托馬斯教堂閣樓的舊手術室和波士頓馬薩諸塞州綜合醫院的Ether Dome。它們的位置允許最大量的光進入手術室，並強調需要外科醫生所需的最佳視覺條件。不幸的是，解剖結構不像標準解剖學教科書中所呈現的那樣明顯且差異化。實際上，在白光可視化下，身體結構在紅色，黃色，白色和灰色的有限陰影中變化，使得難以識別哪些結構是重要的以及哪些需要被移除。

近年來，人們對熒光的使用有很大的興趣來幫助指導手術。具有固有熒光或與熒光團結合的生物標誌物可以通過以下方式用於外科手術：

識別正常的解剖結構。

識別異常組織，如發育不良或癌症。

評估組織的灌注和微血管以進行傷口癒合或評估吻合。

評估淋巴引流並識別前哨淋巴結。

生物標誌物可以是特異性的或非特異性的。特異性生物標誌物僅與其靶標結合，通常不發熒光，因此需要綴合的熒光團。非特異性生物標誌物本身具有熒光性，雖然它們不與任何靶標特異性結合，但它們有助於識別體內的天然通道，例如淋巴結引流，血管。

熒光成像的原理是使用特殊的內窺鏡，其釋放特定波長（激發波長）的光，然後刺激生物標記物釋放的信號（發射波長）。從內窺鏡檢測從生物標記物發射的熒光信號，並將圖像數字地映射到屏幕上。然後可以將熒光圖像映射在白光圖像上。

大多數熒光引導手術使用近紅外（NIR）技術，因為使用該波長導致更大的組織穿透深度和組織自發熒光的減少。近紅外內窺鏡最常與吲哚菁綠（ICG）一起用作非特異性生物標誌物。臨床上批准ICG用於患者，副作用很少（過敏反應1 / 300,000）和非常大的安全範圍，最大劑量為2mg / kg體重。目前有兩種內窺鏡可用於腹腔鏡（Pinpoint，Novadaq，加拿大和D-Light，Storz，德國）的NIR成像和一種用於機器人手術（Firefly，Da Vinci，Intuitive Surgical，Inc.，Sunnyvale，CA）.5熒光腹部手術中的成像也是可能的（Spy Scope，Novadaq，Richmond，British Columbia，Canada）。

識別正常結構

在手術期間，通常難以識別位於手術區域內的重要結構，其需要被保存以保存正常的生理功能。儘管此應用之前尚未用於結腸直腸手術，但熒光生物標誌物已被用於分別識別和保護動物模型和患者的神經和膽管系統。

在手術過程中識別神經很重要，因為意外傷害會導致神經和生理功能的顯著損害。然而，外周神經通常難以識別並且可能涉及患病組織。Whitney等在小鼠模型中證實，當靜脈注射時，熒光NP41肽定位於周圍神經周圍的結締組織，並突出顯示這些神經而沒有任何明顯的毒性.6同樣的探針也標記了人體組織樣本中的神經。

ICG由肝臟代謝並排泄到膽管樹中。這已被用於熒光膽管造影術，其中膽管樹可在靜脈注射ICG後在腹腔鏡手術中突出顯示。在一項對52名患者的研究中，7 Ishizawa等人證實，ICG可以實時識別膽囊管 - 肝總管連接處，以及8名患者的輔助膽管。同樣，ICG已被證明有助於在機器人膽囊切除術中描繪膽管系統，膽囊管和膽總管在97.8和96.1％的病例中可見.8

識別發育異常和癌症

熒光生物標誌物已被用於幫助識別手術期間的發育異常和癌症。

最常用的生物標誌物之一是5-氨基乙醯丙酸（5-ALA）。5-ALA被腫瘤代謝成原卟啉IX，其在藍光下發熒光。迄今為止，最大的臨床研究涉及322名接受惡性膠質瘤手術的患者，這些患者被隨機分配到常規白光顯微手術或5-ALA熒光引導手術。這項研究表明，5-ALA熒光可以指導外科醫生進行更完整的腫瘤切除，從而提高無進展生存率.9在結直腸手術中，大多數5-ALA的工作都是在動物模型上進行的.10 11然而， Kondo等證明，5-ALA能夠識別白光視覺中未見的結直腸癌患者的腹膜轉移.12

還開發了特異性分子標記物，其鑒定在癌發生過程中在細胞表面膜上發生的特定分子變化。在上皮性卵巢癌中，葉酸受體-α（FR-α）表達在90％至95％的患者中增加。van Dam等證明熒光素標記的葉酸是FR-α的配體，能夠在術中檢測出表達FR-α的腫瘤，並且與單獨的白光可視化相比，還可以檢測出額外的腫瘤沉積物，這表明該工具可能是適用於術中分期和根治性細胞減滅術.13

凝集素是特異性碳水化合物識別蛋白，可用於幫助識別發育不良和癌症，因為糖基化變化在癌發生早期發生。Bird-Lieberman等人已經證明熒光素標記的小麥胚芽凝集素（WGA）在模擬內窺鏡檢查的條件下可以作為體外切除標本中Barrett食管發育異常的陰性標記，單獨使用白光檢查就會漏掉這種標記.14可能在結直腸腫瘤中有應用。儘管使用陰性標記鑒定發育不良似乎並不直觀，但陽性標記並非沒有其局限性。對於陰性標記物，存在假陽性結果的風險，而對於陽性標記物，存在假陰性結果的風險，這對患者更具破壞性。

腸灌注評估

結直腸手術的主要併發症之一是吻合口漏。這對於患者，外科醫生和醫療保健提供者來說是結腸直腸手術的破壞性併發症。迴腸吻合術的平均泄漏率在1％至3％之間，但對於低位結腸直腸吻合術，平均泄漏率可高達20％.15吻合口癒合過程可分為三個步驟：炎症期（0-6天），增殖階段（3-10天）和癒合階段（6-15天）。在最初的炎症過程中，存在強烈的炎性細胞浸潤，分泌新的細胞外基質。膠原蛋白I與膠原蛋白III的比例在癒合期間將發生變化，並且在該過程結束時將存在少於10％的膠原蛋白III。新血管形成在術後第4天開始，將使吻合完全癒合。雖然血管內皮生長因子（VEGF）的使用會降低吻合口的漏氣率，但是吻合良好的灌注是必不可少的，以便進行適當的治療.17動物研究表明吻合吻合術的癒合方式與治療吻合的方式相同。如果微血管化保存良好，可以進行簡單的腸切開術。18

已經證明多種因素與吻合口漏有關，包括患者合併症，例如年齡，性別（男性），吸煙習慣，糖尿病，營養狀況和類固醇的使用。術中技術問題涉及其他因素，如失血（或輸血），切除類型，引流管的使用，燒傷的吻合器線數，吻合口周圍血腫，膿腫和施工時的吻合張力雖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，在手術期間評估結腸灌注是其中之一。

已經開發了大量工具來試圖解決這個問題，但是還沒有一種工具被用於日常臨床實踐中。腹腔鏡手術的理想工具應該易於使用，準確，最小的假陰性結果，更重要的是，少量或沒有誤報。它儘可能客觀，可重複，具有成本效益。雖然組織良好灌注的傳統臨床標準包括確定出血邊緣血管和粉紅色血管粘膜，但較新的技術試圖使這一步驟更加客觀（表1）。

表格1

評估吻合口血供的技術

吻合處的微循環在任何吻合口裂開中起著至關重要的作用。如在開放手術中使用靜脈血管造影的研究所示，劃分結腸血供導致小血管側支的丟失，但這在日常實踐中是不實際的.20然而，使用ICG的NIR技術似乎具有所需的所有特徵。可以在腹腔鏡手術中使用它，它易於使用，可重複且準確。

一旦作者能夠實時評估吻合口的微血管形成，就可以改變手術過程以防止泄漏的發生。在手術期間，將常規範圍替換為NIR範圍，給予ICG的靜脈內注射，並且可以在吻合之前和之後評估所製備的結腸。可以使用經過修正的直腸鏡檢查吻合口腔和腔內檢查。圖1給出了實時評估微血管化的NIR成像的實例，顯示了血管分裂後信號丟失水平的明顯截止。圖2顯示吻合術完成後的NIR熒光。

圖1

在低前切除術後血管分裂後的近紅外（NIR）成像（左上：正常視圖，左中：NIR模式，左下：複合視圖混合）。（A）在注射吲哚菁綠（ICG）之前，鉗夾顯示了計劃的橫斷水平。（B）在主屏幕上用複合視圖顯示信號後，顯示信號的清晰截止。

圖2

在低前切除術中進行一對一吻合術後的近紅外（NIR）成像（左上：正常視圖，左中：NIR模式，左下：複合視圖混合）。（A）注射吲哚菁綠（ICG）之前。（B）ICG注射後，主屏採用近紅外黑白圖像，顯示吻合口微灌。

由於這是一個如此新穎的研究領域，因此只有少數前瞻性可行性研究已經發表。Sherwinter等[21]對使用經肛門NIR成像進行低位前切除的20例患者進行了可視化，發現50％的吻合口周圍灌注不良的患者發生了泄漏。Jafari等[22]在一個小型前瞻性機器人系列患者中進行了低位前切除，使用NIR成像導致吻合口漏率從18％降至6％。最近在機器人手術中的研究證實了這一點，其中成像導致40％患者的近端橫斷區域發生變化，並導致這些患者的吻合口漏率為5％.23最後，在作者的小型前瞻性研究中腹腔鏡結直腸切除術中，作者在一組選定的低位前切除和高位前切除或右側半切除術中沒有出現漏洞.24一項較大的前瞻性研究，即PILLAR研究，即將報告具有相似的低泄漏率。

在預防吻合口漏方面，特別是在低位前切除術後，有許多關於這項技術的知識。雖然這些早期研究很有希望，但仍需要進一步完善該技術。關於腔內成像是否優於腔外成像，以及灌注信號是否可以量化，仍然存在突出的問題。顯然，在建立這項新技術的好處之前，需要進行隨機對照試驗。

淋巴結定位和結直腸癌定製手術的潛力

目前，對於所有患有結腸直腸癌的患者，無論分期和腫瘤大小如何，都建議進行相同的外科手術（切除原發病灶和所有引流淋巴結）。隨著腸癌篩查計劃的引入，更多患者被發現患有早期疾病而沒有任何淋巴結。由於這些患者切除正常淋巴結沒有治療益處，因此他們目前正在接受比治療實際需要的更廣泛的手術。這使他們在手術期間受到額外的傷害風險，並且需要比其他情況更長的住院時間。事實上，一小部分患者（約佔總數的10％）目前正在接受根治性手術，因為他們的癌症可能通過內窺鏡手術可移除（並且可治癒），這種手術不需要移除任何長度的腸並且可以進行可能是一個更簡單的程序。

根治手術，經典的腫瘤手術，包括切除儘可能多的淋巴結可能仍然在晚期癌症中佔有一席之地，但這會增加發病率和死亡率以及低水平的證據.25占所有重要淋巴結的97.5％在腫瘤5 cm範圍內發現26例擴大根治手術是不必要的，特別是在高達22％的病例中，淋巴引流異常.27在這種情況下，如果作者能夠正確識別相關節點，那麼定製有限切除就足夠了。切除時間。這在直腸癌手術中尤其重要，其中患者可能患有長期造口或主要功能障礙。

目前正在為患有乳腺癌，黑素瘤以及最近的早期胃癌的患者開發前哨淋巴結定位的概念。在結直腸癌中，藍色染料已用於觀察切除標本和開放手術中的淋巴結引流模式。結直腸癌的淋巴引流不太可預測。雖然已經證實了初級淋巴結盆中的第一次引流淋巴結，但作者更傾向於使用術語顯著的淋巴結。

作者一直在腫瘤周圍使用NIR腹腔鏡和ICG注射，以在腹腔鏡結直腸癌切除術中識別術中顯著的淋巴結。作者選擇了降結腸，乙狀結腸和上直腸的小腫瘤患者。在手術開始時，結腸鏡進入直腸。用Co 2充氣對於防止結腸過度擴張和隨後的切除困難是必要的。在腫瘤周圍進行粘膜下注射ICG，30分鐘後，可以看到引流淋巴結。可以在手術前一天注射ICG，但這對患者和醫院來說可能很難安排。

傳統的腹腔鏡針對NIR範圍進行了更改，並且可以將節點識別為黑色圖像上的白色，或者傳統圖像上的疊加圖像，如圖3所示。然後可以使用剪輯標記重要節點以用於後續組織病理學分析。

圖3

腫瘤吲哚青綠注射後的淋巴結定位（左上：正常視圖，左中：NIR模式，左下：複合視圖混合）。

現在可以可靠地識別重要節點，仍然存在兩個重要問題。作者還沒有足夠的證據證明節點取樣的預測價值和準確性可用於常規臨床實踐。此外，癌症節點的評估需要在手術過程中實時進行。作者一直在切除標本顯著節點上使用一步核酸擴增來測試手術室中即時組織病理學評估的可行性，這項工作正在進行中。

淋巴繪圖的使用還可以改善位於標準手術切除（異常引流）領域之外的引流淋巴結的可視化。這種情況發生在約10％至20％的患者中，並解釋了為什麼某些低風險癌症可能複發。

結直腸手術的結論和觀點

作者正在進入一個新的手術時代，外科醫生的視力可以通過新技術增強，提供3D內窺鏡圖像，手術區融合，橫斷面成像，使用熒光生物標記識別重要結構，提供實時信息血流和結腸微循環，以及之前只有組織病理學家才能看到的淋巴結的術中鑒定。挑戰在於將這些令人興奮的概念轉化為癌癥結果的改善，手術切除最少，發病率降低，功能結果更好。

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