人体拼图——增强现实让医学手术更具层次感

盆骨处的骨肉瘤深入体内,大量癌症细胞聚集在难以到达的地方。它聚集在皮肤、脂肪和肌肉寸许下的骨头之上,藏在器官和主动脉交错的深处。 

面对这样的诊断结果,大多数医生都会选择低风险的保守治疗。他们会切开肚子,找到骨盆区域,切掉肿瘤组织。在缝合的时候,他们也会进行所谓的内部截断术,修复他们能修复的损伤。这种行之有效的方法可能会拯救这位病人,但病人的腿可能再也无法工作。 

纽约大学朗格尼医疗中心的两位医生想出了一个与众不同的主意。Timothy Rapp 和 Pierre Saadeh想知道他们是否能够不从人的前侧切开肚子,而从后面进行手术。操控手术器具穿过血管和脂肪,穿过肌肉和神经他们就可以切除掉被大量癌症细胞侵袭的骨头。但接下来就是最难的部分。为了拯救病人走路的能力,他们需要把切掉的骨头填补起来。 

Rapp是骨科肿瘤学家,Saadeh是整形外科医师,他们计划使用增强实技术。增强现实技术可为他们提供手术区域以及周围骨骼的高分辨率3D视图。视图将会提前告诉他们究竟有多少空间需要填充。之后他们会从病人腿上其他地方取得一小片不那么重要的骨头,填充到切除肿瘤后留下的空隙位置。 

这样做的风险很大,因为他们从来没有过类似的经验。但利用增强现实,手术得以先进行预演。他们会在会导致生活发生改变的手术 之前进行大量的不同尝试——这种尝试方法,通常只能利用尸体进行。听起来很普通:两次测量,一次切除。但在外科手术领域看来,Rapp 和 Saadeh 简直就是疯子。

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Pierre Saadeh医生

在头部和颈部外科手术中,复杂的操作经常都会在软件中进行模拟操作。医生们在进行实际手术之前确实会在病人的精确解剖副本上进行模拟试验。但其他专科的外科手术还尚未使用软件模拟。 

你可以称之为医学界高技术难题:医生们比以前任何时刻都都拥有更好的可任意使用的工具,但使用到病人身上的速度确是异常的慢。一个关键原因是只有少数的执业医师能够跟上科技的进步,积累经验和金钱适应新科技。 

另外,外科医师经常不愿意,也有充分理由不愿意用病人的生命做实验。但如果医生uzuoga,病人可能再也无法走路。所以Rapp 和 Saadeh以及他们的病人,决定在增强现实上赌一把。这会拯救她处于危险中的腿吗? 

在复杂的头部和颈部手术中,医生们通常依赖于一款叫做虚拟手术计划(VSP)的软件。因此Rapp和Saadeh也沉浸到了这款软件的学习中。 

这款软件由3D Systems公司制作,能够得到病人的CT扫描结果,并创造出骨解剖的数字副本,物理师就能够在屏幕上操纵并旋转这样的副本。VSP还有一个非常有用的特点:它能够3D打印定制模板,来指引外科手术的下刀处,使他们手部的动作尽可能精确。利用这些工具,他们策划出如何切除癌症的方法。 Rapp说病人的癌变位置在骶髀关节附近,需要切开一系列重要的结构——主要的血管、肠、膀胱,甚至肾脏。他们需要开辟一条道路,几乎没有任何允许他们犯错的余地。

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病人大型肿瘤的预操作3D图。Saadeh和Rapp 为此绘制了一张图模。

他们也知道在2012年时有一款叫做生物数字人(the BioDigital Human )的软件发布。它就像是画布一样,需要切除哪里就看哪里,没有其他的组织阻碍你的视野。然后可以层层叠加,直到找到你的手术方法。 

生物数字人并不是针对不同用户量身打造,但在这种情况下,已经足够了。虽然每个人的骨头架构有区别,但软组织之间的差异没有那么细微,Rapp说道。重要器官的位置、肌肉、脂肪和皮肤大体上是一样的。 

而这也正是Saadeh需要的。 当我们在他办公室里聊天时,周边是一摞摞的论文和上一场手术留下的3D夹具,Saadeh从他面前的屏幕上拉出一张旋转的虚拟臀部图,「我们知道我们会看到这样的情况,我们也知道我们想要切掉这一部分,」他说道,指向一块叫做坐骨神经支持的区域,随着他一层层的加上肌肉、血管和脂肪,图像不断地在屏幕上显示。「如果我们将她平放在桌子上进行尝试,这就是我们会看到的。」

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病人骨盆的特写图。红色条带代表3D打印夹具,这些夹具可能会暂时用小螺丝钻孔固定。夹具勾勒出需要被切除的癌症区域,也就是绿色区域。

手术那天,Rapp 和 Saadeh会同时工作。Rapp 从骨盆开始钻洞,Saadeh则在腿上进行工作准备修补。 Rapp徒手切入,从头到尾的把组织处理一遍。当深入到骨髓时,他触及到了固定3D打印模板的地方。手持第一块树脂片,Rapp临时使用一个微型的螺丝把它钉到骨头上。然后固定第二片,并检查是否牢固。当所有的夹具嵌入后就能巧妙的框构出肿瘤形态。可视状态下,根据轮廓切除所有癌细胞。 

在手术台下,Saadeh同样胜利完成了一场类似的工作。他也轻易的切入到腓骨——小腿处的一块骨骼,如Rapp所做的一样,在腓骨处钻上树脂片,从而获得他需要提取部位的轮廓。Saadeh连带着血管凿出骨头,希望提取的骨头外形和Rapp移除掉的一样。在结束之前,他移走了3D打印模板,并且在骨头的空位处填充了金属板帮助骨头愈合。 

Rapp从Saadeh那里得到了腓骨骨块,准备填补到盘骨上。他把骨块移入了盘骨,结果很合适。然后他们进行精妙地显微外科手术,小心的连接两处不同骨位的静脉和动脉。在这里,他们同样置入钛金属板帮助骨头融合。 

从头到尾手术进行了7个小时,但如果没有前期5个小时的计划,手术将会费劲的多。在手术室,Rapp说前期的准备工作至少为他们节省了数个小时。 

增强现实使得手术的前期策划和3D打印框架成 为可能,如果没有二者,Rapp和Saadeh表示他们绝无可能做这么复杂的尝试。而且只有经过数月的术后复原,他们二位和自己34岁的病人才会知道手术结果是否成功。

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打印出的切除指导件。那些孔是为了临时在手术中给夹具钻孔用的。

去年夏天,Saadeh和Rapp迎来了这一关键时刻。手术后的第六个月,病人第一次谨慎的使用手术的那条腿支撑身体的全部重量。强壮腿臂使他们相信手术的成功性。而后的几个月病人一直使用拐杖,让腿部有更多的愈合时间。 

上周,仅靠自己,她迈出了户外行走的第一步。病人没有丧失行走能力,这也证明了两位医生AR方法的可行性。 Michael Yaszemski,一位来自梅奥诊所的脊柱外科医生和肿瘤学家,同样也是增强现实使用者。他提到:「Rapp博士和Saadeh博士所做的事有很大的创新意义。在面部畸形治疗上,这项技术已经使用有一段时间了。但他们创新性的把它应用到了癌症上,这是我所推崇的。」 Yaszemski也是几个少数使用3D模型预习肿瘤病例的外科医生之一。 

在手术前进行策划,一切看起来都特别直观,但医疗手段都是反直觉的。「我们都不曾有过寻找新方式的想法,」Saadeh说,「你有一种切除胆囊的方法,那就永远只有一种方法。」Saadeh曾从事普通外科,现就职于纽约贝尔维医院。 外科手术规避风险的传统可能会慢慢的改变。医疗设备公司3D System的副总裁Katie Weimer强调,除了头部和颈部区域手术咨询外,公司看到了更多身体部位的手术咨询。她说:「现在,我们处在数字化环境中,所以能重做某件事,可以说『我不想切除这里了,我们想把它移到那里,没问题,翻转一下,让我看下其他潜在的解剖方式。』」 

使用VSP或相似的软件也有潜在的好处:能够产生加速外科手术创新的数据。医生可以对比曾经的手术结果和虚拟演示结果。VSP进行二者的交叉覆盖,显示手术距离希望取得的目标还有多远。

「如果你能多个案例、多个成果的对比,你就能看到趋势,」 Weimer说。这将是手术室内评估手术表现和发现能够改善治疗效果技术的一大进步。 

然而为何没有更多的医生尝试使用虚拟策划呢?推进需要时间,而且正如Rapp所说的,「医界有很多自负的人。」但是,进入增强现实门槛并不异常的高。比如生物数字人的大部分高级功能花费48美元就能使用,基础的APP是免费的。 

甚至有更多尝试者在构建病人的包括软组织在内的全身虚拟模型。绘制一个出包含人体解剖后的各种古怪成分在内的完全的人体数字化模型。医生在做重大决定前就能进行检查了。他们能对你周身拍打,全方位检查,以及考虑每步动作造成的结果。 在医学研究重点和顶级设备上,增强现实也能帮助相比纽约大学朗格尼医疗中心资源较少的机构中的外科医生。比如从未接触过骨肉瘤的医生能够快速从虚拟人体上获得成功案例的经验。当然,虚拟病人并非是取代了实体尸体的作用,而是补充了它。 

无论是3D System的Weimer还是生物数字人的Oliker都不曾期盼医院能在一夜之间改变习惯。所以Oliker更注重于让新科技具有使用性。他说,「没人想要一小步一小步的来,但每一小步都可能至关重要。」

本文由机器之心编译出品,原文来自backchannel,作者Jane Gayduck,转载请查看要求,机器之心对于违规侵权者保有法律追诉权。

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