泌尿增强现实技术
在精密手术时代，数字技术使外科医生能够改进对患者的治疗。一些新工具正在提供对病理学的更好理解，赋予操作者权力并提供新的研究方法。在这样的背景下，今天统一术语至关重要，以便为未来的研究和比较提供标准化的基础。在这种分类学标准化中，需要对 3D 渲染和打印、扩展现实和放射组学等表示技术进行分类和明确定义，并使用易于理解和广泛传播的概念。
关键词
泌尿技术
3D 渲染
3D打印
虚拟现实
增强现实
息图
10.1简介
在“精准手术”治疗泌尿肿瘤疾病的时代，影像引导领域发生了一场巨大的变革。每天都有新的场景出现，这要归功于新的技术进步，使泌尿科医生能够放弃“为任何人提供”的概念，转而采用“患者量身定制的”治疗。日益成为我们日常实践的一部分的新技术需要正确的名称，以便为每位患者确定最佳工具 。
10.2 泌尿外科中的 3D 渲染
“ 3D 渲染 是计算机辅助设计 ( CAD ) 模型的数字合成，可以在屏幕上进行可视化，并且可以根据用户的喜好进行旋转和缩放。它通常是交互式的，允许删除模型的某些部分以优化可视化”[ 1 ]。随着机器人技术的引入允许 3D 视觉放大，升级标准二维成像的需求带来了新技术进步的发展，例如通过放射软件自动渲染的 3D 模型 [ 2 ]。可咨询的器官三维模型的可用性使外科医生能够专门为患者调整每次手术。这种新工具在不同情况下都有应用，从手术计划到术中协助和患者咨询。肾癌和前列腺癌是该研究领域中研究最广泛的泌尿系统疾病，因为它们的边缘清晰可辨，便于软件跟踪。 为了提高渲染 3D 模型的质量，最近发布了 3D 重建领域的标准化。由于泌尿科医师、放射科医师和新生物工程师之间的团队合作，以及新的专用专业软件的使用，开发了“高清”重建，命名为超精确 3D 虚拟模型 (HA3D) [ 3 ]。从技术上讲，新一代 3D 虚拟模型是从标准 CT 扫描或 mp-MRI 获得的（分别用于肾脏和前列腺 HA3D 虚拟模型）。DICOM 格式的图像是使用一组不同的授权用于医疗用途的软件进行处理的。首先，生物工程师使用 DICOM 查看器评估四相 CT 扫描图像。第一个分割过程是半自动执行的（类似于旧的渲染过程）。
然后，生物医学工程师在经验丰富的泌尿科医生的监督下，使用基于轮廓的方法对三维重建进行改进。对于肾脏，二维增强四期 CT 图像的细化集中在肾脏血管系统上，直至肾内节段血管（动脉和静脉）、集合系统、肾脏形状、和肿瘤特征。对于前列腺，虚拟重建涉及前列腺、尿道和尿道括约肌、神经血管束 (NVB) 和肿瘤，由不同的 mp-MRI 序列识别。在嵌入这些不同的数据集后，虚拟重建被转换为数学 HA3D 模型，这是一个用于以交互式 3D-PDF 格式可视化 HA3D 重建的转录代码，这使得每个单独的结构都可以移动。这有助于了解肿瘤与器官其他成分之间的关系。查看已在文献中发表的有关该主题的经验，3D 虚拟模型已在许多不同的环境中进行了测试。不同的经验报告了 3D 虚拟模型在简化外科医生在术前计划期间的决策过程方面所提供的帮助。与所使用的虚拟重建技术无关，可利用器官的 3D 图像进行治疗所带来的优势，使外科医生能够避免理解目标结构的空间分布所必需的脑中构建过程。在评估要治疗的器官的每个单独部分之间的关系时，这种不同的观点可能有利于改变手术策略（即机器人部分肾切除术期间的钳夹策略），也有利于手术适应症（即在复杂的肾肿瘤）[ 与所使用的虚拟重建技术无关，可利用器官的 3D 图像进行治疗所带来的优势，使外科医生能够避免理解目标结构的空间分布所必需的脑中构建过程。在评估要治疗的器官的每个单独部分之间的关系时，这种不同的观点可能有利于改变手术策略（即机器人部分肾切除术期间的钳夹策略），也有利于手术适应症（即在复杂的肾肿瘤）[ 与所使用的虚拟重建技术无关，可利用器官的 3D 图像进行治疗所带来的优势，使外科医生能够避免理解目标结构空间分布所必需的脑中构建过程。在评估要治疗的器官的每个单独部分之间的关系时，这种不同的观点有利于改变手术策略（即机器人部分肾切除术期间的钳夹策略），也有利于手术适应症（即在复杂的肾肿瘤）[ 允许外科医生避免理解目标结构的空间分布所必需的构建过程。在评估要治疗的器官的每个单独部分之间的关系时，这种不同的观点可能有利于改变手术策略（即机器人部分肾切除术期间的钳夹策略），也有利于手术适应症（即在复杂的肾肿瘤）[ 允许外科医生避免理解目标结构的空间分布所必需的构建过程。在评估要治疗的器官的每个单独部分之间的关系时，这种不同的观点可能有利于改变手术策略（即机器人部分肾切除术期间的钳夹策略），也有利于手术适应症（即在复杂的肾肿瘤）[ 3 ]。
尽管 3D 虚拟模型与标准二维成像相比有所改进，但它们的咨询通常在常见的 2D 平面支架上进行，在空间深度的精细感知和 3D 视图增强的某些细节方面存在局限性。为了克服这些限制，现在它们的可视化也可以通过现实世界环境（混合现实）中的全息图来执行。关于这个主题的文献经验仍然是轶事，特别是对于机器人技术，但强调了外科医生在感知感兴趣结构的细节方面的潜在改进，同时提高了手术计划的质量 [ 4 ]。关于3D虚拟模型的术中辅助，目前只有少数经验；尽管在文献中发表的论文数量很少，但一致认为他们在肾脏和前列腺肿瘤手术干预期间对外科医生的帮助。探索最多的研究领域是它们在认知过程中的应用，在此过程中，可以通过笔记本电脑或平板电脑“按需”查阅 3D 虚拟模型。接受手术的器官的 3D 虚拟重建的可用性允许对解剖结构有一个全面的了解，从而实现更详细的规划。这可以通过思考肾脏血管解剖的识别来轻松理解：在肾蒂解剖过程中，借助 3D 成像， 3 ]。此外，这种技术在前列腺癌手术中发挥了作用：在 NVBs 管理期间，显示肿瘤可疑包膜受累区域的 3D 虚拟模型的可用性允许调节束解剖的深度 [ 5 ]。
10.3 泌尿外科 3D 打印
“ 3D 打印 ，也称为增材制造，是一种从 CAD 模型开始，通过逐层添加材料来构建物理对象的过程”[ 1 ]。在过去十年中，3D 打印对医学产生了深远的影响。它已被用于制作细胞图案、创建原型、复制组织或器官、创建用于计划、咨询和培训的手术复制品，最后用于构建医疗假肢和许多其他生物医学应用 [ 6 ]。为了能够使用不同类型的聚合物、陶瓷、蜡、金属到人体细胞 [ 7 ]。已经表明，患者咨询、手术计划和培训已受到 3D 打印的影响。用于手术计划的 3D 打印解剖模型在医院住院环境中具有广泛的应用，并已被证明是手术模拟领域的游戏规则改变者。特别是在泌尿外科，基于模拟的培训正逐渐被学员使用，以减少获得手术技能的最陡学习曲线，而 3D 打印代表了直接“打印”器官结构的独特工具，使培训标准化成为可能.
此外，多项研究表明，泌尿科医生可以使用解剖模型的 3D 打印来创建更准确和更具触感的图片，以支持术前计划和手术教育[ 8 ]。这种技术的缺点是制造成本高、时间长[ 6 ]。
10.4泌尿外科的扩展现实
在过去的十年中，视频游戏领域为一系列不同的消费工具开辟了道路，以允许沉浸在不同的环境中。这种可能性也开始实验性地应用于手术，以加强规划或更好地理解具有教育目的的程序。我们谈论的是所谓的扩展现实技术，包括虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）。 “虚拟现实（VR）：创建一个数字环境来替代用户的真实世界环境。它依靠遮阳板为用户提供身临其境的体验”[ 1 ]。 在娱乐领域早期测试失败后，收敛和去货币化高清屏幕、运动和位置传感器以及先进的图形板等技术支持开发低成本但高性能的护目镜，如 Oculus Rift（Oculus VR，美国加利福尼亚州门洛帕克）或 HTC Vive（HTC ，桃园，台湾）。Oculus Go 的价格低至 250 美元左右，现在可以在任何环境中享受 VR 的完整体验，从而为每个人带来 3D CAD 可视化到另一个层次。在泌尿外科，VR 系统的使用仍然有限，这可能是由于对这些可用的最新产品知之甚少，并且主要用于培训。例如，Intuitive Surgical（美国加利福尼亚州森尼维尔）正在其背包训练器中使用 VR 在达芬奇平台上模拟训练环境，而像 VirtaMed（Schlieren，Swiss）、Surgical Science（瑞典哥德堡）和 Medical-X（荷兰鹿特丹）正在将这项技术用于他们的手术模拟器，但不支持 VR 面罩。最后，关于 3D 虚拟模型的其他潜在应用，如教育/培训和患者咨询，存在一些有限的证据。文献表明，三维成像可能有助于年轻泌尿科医生理解和学习手术策略，以及加强与患者的对话，让他们直接了解疾病及其治疗，但他们的作用仍在研究中[ 关于 3D 虚拟模型的其他潜在应用，如教育/培训和患者咨询，存在一些有限的证据。文献表明，三维成像可能有助于年轻泌尿科医生理解和学习手术策略，以及加强与患者的对话，让他们直接了解疾病及其治疗，但他们的作用仍在研究中[ 关于 3D 虚拟模型的其他潜在应用，如教育/培训和患者咨询，存在一些有限的证据。
文献表明，三维成像可能有助于年轻泌尿科医生理解和学习手术策略，以及加强与患者的对话，让他们直接了解疾病及其治疗，但他们的作用仍在研究中[ 9 ]。 “增强现实( AR ) 将数字创建的内容叠加到用户的真实世界环境中。遮阳板、智能手机或平板电脑提供了一种空间配准，可以实现与现实世界中的位置和方向有关的几何持久性 [ 1 ]”。 AR 应用程序在计算和游戏领域已经很成熟，现在也进入了外科手术的主流。作为基于图像对齐和/或叠加概念的增强现实技术，它无疑是一个富有成果的研究领域，但同时也受到限制其发展的高技术复杂性的负担。 事实上，连同执行覆盖的平台的可用性，手术器械的跟踪以及目标器官和周围解剖结构的任何运动的跟踪都是必要的。Intuitive Da Vinci 系统的广泛使用，其控制台中嵌入了 3D 遮阳板，可以轻松地对应用于手术领域的 AR 进行早期测试。已经对机器人部分肾切除术和根治性前列腺切除术进行了一些可行性研究 [ 10 , 11 ]。进行的所有研究都集中在这种技术在器官/肿瘤靶向方面的能力。
尽管为获得 AR 手术而开发的技术因研究而异，但所有研究都证明了在驱动外科医生识别感兴趣的结构方面至少具有基本的功效。如果我们考虑到毫米制导以避免不必要的并发症的重要性，那么很容易理解这在今天仍然是对这种技术的广泛应用的巨大限制。然而，作为目前最具吸引力的 3D 虚拟模型应用领域的 AR，在过去几年中取得了巨大的技术进步，完善了第一个原型。下一个目标是展示它们的临床应用及其可行性。 “全息图 ：是一种 CAD 模型的表示，在肉眼看来是 3D 的，不需要辅助耳机。通过适当的空间配准，不同的用户可以同时从不同的角度看到它”[ 1 ]。如前所述，全息图是 AR 的演变，因为它们不需要任何遮阳板。今天可以通过专门设计的显示器来创建它们，甚至可以通过超声波空气喷射（可触摸全息图）向用户提供触摸反馈[ 12 ]。即使这项技术还没有应用于泌尿外科，在手术过程中进行手术计划可能会很有用，外科医生不需要触摸任何物理显示器，并且可以与手术团队的其他成员一起讨论计划，实时。 “混合现实( MR )：一种将用户的现实世界环境和数字创建的内容无缝融合的体验，两种环境可以共存并相互交互。MR 将数字对象锚定到现实世界的对象并实现与它们的交互。要生产它，需要带有环境扫描功能的遮阳板” [ 1 ]。到目前为止，AR 的这种进步还没有在泌尿外科找到任何真正的应用。今天，这种交互式系统由非常少的昂贵设备实现，并且直到现在还没有开发出任何软件来使该工具在我们的领域中受益。与虚拟环境的直接交互无论如何可能允许执行紧急模拟和执行团队训练，包括与其他团队成员和周围物体的交互。
10.5 泌尿外科放射组学
放射组学是一个不断发展的定量成像领域，在临床肿瘤学中有多种应用，使用一组可量化的癌症指标：放射组学特征 (RS)，对整个肿瘤进行全面的非侵入性表征。 RS 是从医学图像中提取的，包括计算机断层扫描 (CT)、正电子发射断层扫描 (PET)、磁共振成像 (MRI) 和超声检查 (US)。Radiomics 使用计算机化的特征分析方法在成像中提取亚视觉特征，以表征放射图像上的疾病外观和行为。放射组学代表了一种强大的工具，它应用人工智能 (AI) 和深度学习模型来更准确地定义组织 [ 13 ]。它们已被用于前列腺、肾脏和膀胱，以预测肿瘤的实际病理和侵袭性、预测阶段和对治疗的反应 [ 14 ]。前列腺癌 (PCa) 患者可以充分利用放射组学。多参数 MRI (mpMRI) 广泛用于 PCa 的诊断。然而，mpMRI 的作用仅限于分期，并受到几个陷阱 [ 15 ] 和读者间变异性 [ 16 ] 的影响。与传统方法相比，放射组学在 PCa 检测和表征方面的最新应用显示出优势 [ 17 ]。
放射组学的应用可以通过从影像数据中提取特征来量化病变内异质性，这可能会影响癌症检测的准确性、治疗效果以及患者的结果和风险分层 [ 18 , 19 ]。已经报道了放射组学（与机器学习相关或不与机器学习相关）在膀胱癌治疗中的有希望的应用。放射组学可以潜在地用于膀胱癌的检测、分期、分级和对治疗的反应。
10.6结论
在这十年中，我们观察到一些旨在更好地理解临床病例的新技术的兴起。它们中的大多数仍处于研究阶段，可靠性低且限制主要与专用工具缺乏适当的商业化有关。鉴于此类技术具有前所未有的潜力，我们可以很容易地预计，术前图像的分析无论如何都会在未来几年发生深刻的变化，直到我们会问自己“我们怎么可能依赖原始 CT 扫描？”。案例研究将发生变化，这将是一次真正的颠覆。
