肝內(nèi)膽管虛擬手術(shù)可視化模型構(gòu)建與仿真研究進(jìn)展

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(第三軍醫(yī)大學(xué)：1.學(xué)員旅七營(yíng)；2.基礎(chǔ)部人體解剖學(xué)教研室，重慶 400038)

肝臟是人體內(nèi)最大的實(shí)質(zhì)性器官，對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)操作的風(fēng)險(xiǎn)具有不可預(yù)見(jiàn)性，因?yàn)楦蝺?nèi)膽管系統(tǒng)紛繁交錯(cuò)，膽管管徑細(xì)小，分支分布不規(guī)則且變異多，臨床缺乏肝內(nèi)膽管手術(shù)切除的“金標(biāo)準(zhǔn)”可供參照，且不同的患者存在個(gè)體差異。但是如果準(zhǔn)確掌握肝內(nèi)膽管立體構(gòu)象并能夠精確設(shè)計(jì)手術(shù)路徑以避免術(shù)中膽管破裂和肝內(nèi)出血，那么就能極大地提高手術(shù)成功率。在數(shù)字圖像處理技術(shù)、虛擬仿真應(yīng)用迅速發(fā)展的背景下，可視化人體數(shù)據(jù)集的建立使得在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建肝內(nèi)管道系統(tǒng)三維數(shù)字模型、實(shí)現(xiàn)肝內(nèi)膽管虛擬手術(shù)仿真成為可能。目前，如果采用中國(guó)數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集和臨床CT、MRI等影像資料對(duì)肝內(nèi)膽管系統(tǒng)進(jìn)行三維可視化處理，利用三維可視化圖像研究肝內(nèi)膽管的立體結(jié)構(gòu)特征并有針對(duì)性地設(shè)計(jì)肝臟手術(shù)切除路徑，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建肝臟虛擬手術(shù)仿真平臺(tái)的研究，那么這些研究結(jié)果對(duì)于建立肝臟外科虛擬手術(shù)模擬系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)肝內(nèi)管道系統(tǒng)三維數(shù)字化模型,具有非常重要的基礎(chǔ)理論意義和臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 肝內(nèi)膽管虛擬手術(shù)可視化模型的意義

由于肝內(nèi)膽管分支分布復(fù)雜，患者存在個(gè)體差異且缺乏臨床肝內(nèi)膽管手術(shù)切除的“金標(biāo)準(zhǔn)”可供參照，因此，有效地展示肝內(nèi)膽管病變部位的立體解剖構(gòu)象與其毗鄰的結(jié)構(gòu)對(duì)于肝內(nèi)膽管的手術(shù)實(shí)施具有重要的臨床意義。目前，肝內(nèi)膽管的手術(shù)方式主要有：活體肝移植術(shù)(1iving donor liver transplantation，LDLT)和肝臟部分切除術(shù)。活體肝移植在數(shù)量上雖已達(dá)到一定的規(guī)模，但在操作過(guò)程中仍具有較大的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。肝臟部分切除術(shù)在解除膽管狹窄的同時(shí)清除了病灶，其對(duì)肝內(nèi)膽管腫瘤及肝內(nèi)膽管結(jié)石的治療有相當(dāng)?shù)男Ч?，但?fù)雜的肝內(nèi)管道系統(tǒng)增加了手術(shù)操作的難度。周泉波等[3]在2012年報(bào)道了80例肝內(nèi)膽管細(xì)胞癌患者在經(jīng)過(guò)手術(shù)治療后普遍存活率低下。此外，由于存在肝內(nèi)膽管的個(gè)體差異且缺乏手術(shù)切除的“金標(biāo)準(zhǔn)”，這對(duì)于復(fù)雜的肝內(nèi)膽管手術(shù)的操作具有不可預(yù)見(jiàn)性，因此在術(shù)前給臨床醫(yī)師提供能進(jìn)行手術(shù)方案制定和模擬的肝內(nèi)膽管三維解剖可視化模型是迫切需要的。

利用數(shù)字醫(yī)學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)技術(shù)能有效顯示肝內(nèi)管道與病灶及其毗鄰關(guān)系的三維解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系，解決肝內(nèi)膽管系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜且密集的問(wèn)題，能針對(duì)肝膽外科手術(shù)切除治療中的難點(diǎn)，利用其立體構(gòu)象特征設(shè)計(jì)手術(shù)路徑，因此其具有重要的臨床指導(dǎo)意義[4-5]。以影像學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的三維重建可視化技術(shù)發(fā)展十分迅速，盡管其彌補(bǔ)了二維圖像的空間感的不足，對(duì)計(jì)算機(jī)輔助肝內(nèi)膽管手術(shù)起到了一定的指導(dǎo)作用，但還未涉及肝內(nèi)膽管系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)的測(cè)量。在利用虛擬手術(shù)器械進(jìn)行術(shù)前模擬和手術(shù)仿真還未見(jiàn)報(bào)道[6-7]。因此，針對(duì)活體肝臟移植需求及肝內(nèi)膽管手術(shù)特點(diǎn)構(gòu)建肝內(nèi)膽管虛擬手術(shù)模型和仿真系統(tǒng)，在準(zhǔn)確顯示肝內(nèi)膽管立體構(gòu)象三維數(shù)據(jù)的同時(shí)，根據(jù)病灶實(shí)際情況與其毗鄰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的個(gè)體化肝臟虛擬手術(shù)方案，其具有準(zhǔn)確的手術(shù)定位優(yōu)勢(shì)和廣泛的臨床應(yīng)用價(jià)值，而準(zhǔn)確把握肝內(nèi)管道的立體解剖結(jié)構(gòu)與病灶及其毗鄰關(guān)系，正確選擇手術(shù)路徑為肝內(nèi)膽管手術(shù)的順利實(shí)施提供了有力的保證，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的方式構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)的三維操作環(huán)境，構(gòu)建肝內(nèi)膽管虛擬手術(shù)模型，通過(guò)模擬肝內(nèi)膽管手術(shù)過(guò)程并不斷地完善方案以實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作的安全、有效。本研究擬采用數(shù)字化可視人體技術(shù)手段，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)建立肝內(nèi)膽管虛擬手術(shù)可視化模型，準(zhǔn)確描述肝內(nèi)膽管立體構(gòu)象和其毗鄰結(jié)構(gòu)，并獲取三維結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)模擬肝內(nèi)膽管的虛擬切除，為肝內(nèi)膽管手術(shù)模擬治療系統(tǒng)的研究和肝臟數(shù)字解剖學(xué)的深入提供技術(shù)手段，其具有重要的基礎(chǔ)理論意義和臨床應(yīng)用價(jià)值。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與進(jìn)展

隨著圖形處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)三維成像技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)等現(xiàn)代信息學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化可視人體已經(jīng)進(jìn)入了醫(yī)學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。在影像診斷、介入治療和計(jì)算機(jī)輔助肝臟外科等臨床診療中，利用對(duì)人體結(jié)構(gòu)信息的真實(shí)再現(xiàn)，重建人體結(jié)構(gòu)形態(tài)的三維模型，具有直觀、形象的特點(diǎn)，為數(shù)字醫(yī)學(xué)現(xiàn)代化的發(fā)展提供了可能[8-9]。目前，醫(yī)學(xué)圖像可視化軟件和硬件設(shè)備等方面已取得較大進(jìn)展，比如美國(guó)賓州大學(xué)的3D Viewnix系統(tǒng)，德國(guó)漢堡大學(xué)的Voxel-Man系統(tǒng)等，由于是基于UNIX系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在SGI工作站上運(yùn)行對(duì)人體數(shù)據(jù)相當(dāng)集中的部分腹腔臟器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割、識(shí)別和可視化顯示，因此數(shù)據(jù)的處理量有限，交互性較欠缺；隨著計(jì)算機(jī)輔助肝臟虛擬外科手術(shù)基礎(chǔ)研究的開(kāi)展，Lang等[10]報(bào)道，通過(guò)MRI圖像數(shù)據(jù)和CT開(kāi)發(fā)肝臟外科三維操作訓(xùn)練和手術(shù)模擬系統(tǒng)，使能夠在虛擬的手術(shù)環(huán)境下進(jìn)行肝臟手術(shù)的各種模擬操作，量化肝臟手術(shù)計(jì)劃、綜合分析并預(yù)測(cè)術(shù)后的可能，但是在實(shí)際手術(shù)過(guò)程中仍存在著譬如圖像呈現(xiàn)不清晰、結(jié)構(gòu)關(guān)系不明確等諸多問(wèn)題[11]。隨可視化人體數(shù)據(jù)集的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，Park等[12]在2006年報(bào)道他們運(yùn)用半自動(dòng)分割法在SGI工作站上將肝臟的輪廓進(jìn)行了呈現(xiàn)，并且已完成肝內(nèi)管道系統(tǒng)的三維影像重建，對(duì)臨床診療精確、準(zhǔn)確提供了保障。2004年美國(guó)FDA (Food and Drug Administration 食品及藥物管理局)將血管內(nèi)模擬治療系統(tǒng)(Vascular interventional simulting treatment system, VIST) 列為介入培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，成為國(guó)際各大介入?yún)f(xié)會(huì)培訓(xùn)課程之一，該項(xiàng)目是由介入醫(yī)師和仿真學(xué)工程師合作進(jìn)行的，是研究外科模擬的一個(gè)良好開(kāi)端，其特點(diǎn)是擁有反饋功能模擬器、接近真實(shí)的模擬環(huán)境，而這些都是臨床診療所必需的。由于需要強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)工作站、復(fù)雜的軟件系統(tǒng)、昂貴的設(shè)備和經(jīng)費(fèi)投入，諸多因素導(dǎo)致可視化技術(shù)應(yīng)用于肝內(nèi)管道模擬訓(xùn)練的研究目前尚未開(kāi)展[13]。2009年1月醫(yī)學(xué)模擬系統(tǒng)Simbionix首席科學(xué)家Gary Zamler發(fā)布了兩款用作培訓(xùn)目的的手術(shù)活檢模擬器：新型血管內(nèi)介入培訓(xùn)模塊，其可在模擬環(huán)境下處理血管內(nèi)并發(fā)癥，心率管理模塊(Cardiac Rhythm Management)可實(shí)現(xiàn)心臟起搏器和去纖顫器的虛擬置入而腦介入模塊(Cerebral Intervention)則具有完整的神經(jīng)血管和雙平面 X-射線(xiàn)系統(tǒng)作為訓(xùn)練彈簧圈和支架置入的理想平臺(tái)。日前，Simbionix USA Corporation宣布，該公司已經(jīng)發(fā)布了ANGIO Mentor?血管內(nèi)模擬器多種培訓(xùn)模式，能在模擬環(huán)境中提供血管內(nèi)手術(shù)的實(shí)際操作體驗(yàn)，為肝膽管道手術(shù)提供了解決方案。但還未見(jiàn)有肝臟管道內(nèi)介入培訓(xùn)模塊開(kāi)發(fā)的報(bào)道。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)在外科虛擬手術(shù)模擬中有所進(jìn)展。謝叻[14]于2004年報(bào)道了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在耳道內(nèi)進(jìn)行顯微手術(shù)的初步應(yīng)用，但其目的僅僅是三維重建耳道結(jié)構(gòu)，對(duì)臨床診療的輔助效果不甚明顯；方馳華[15]于2007年報(bào)道了在對(duì)14例游離肝臟灌注后并進(jìn)行CT掃描，利用VTK數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)包對(duì)肝臟靜脈和肝臟外形進(jìn)行了三維重建，給手術(shù)操作提供了數(shù)據(jù)支持。朱光源[16]于2012年報(bào)道了利用CT對(duì)20例肝內(nèi)膽道細(xì)胞癌患者的診斷，指明了動(dòng)態(tài)掃描具有強(qiáng)針對(duì)性。國(guó)內(nèi)肝臟管道系統(tǒng)可視化研究有數(shù)據(jù)采集方便，來(lái)源廣泛，重建迅速等優(yōu)點(diǎn)，但圖像是灰度影像，清晰度較低，結(jié)果顯示不完全，且層間距較厚，對(duì)臨床實(shí)際操作的輔助作用不明顯。目前，醫(yī)學(xué)信息學(xué)的發(fā)展需要提供盡可能詳細(xì)、完整的多維數(shù)據(jù)以滿(mǎn)足現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的需要，這給實(shí)現(xiàn)肝臟管道解剖結(jié)構(gòu)的三維可視化研究提供了廣闊的應(yīng)用空間，而現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)等可視化研究多集中在人體顱腦部和軀干等部位，利用患者CT、MRI影像數(shù)據(jù)、數(shù)字化人體數(shù)據(jù)集完成了虛擬腦血管介入手術(shù)、虛擬腰椎穿刺手術(shù)和虛擬胃腸鏡等手術(shù)，但尚未結(jié)合VR技術(shù)、機(jī)械力反饋技術(shù)和特殊設(shè)備(3D眼鏡、頭盔顯示器等)，沒(méi)有體現(xiàn) VR技術(shù)的重要特征，如多感知性、臨場(chǎng)感等，并且其為通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)來(lái)進(jìn)行操作的，由于操作過(guò)程較簡(jiǎn)單，交互性能還較欠缺，易受醫(yī)生主觀、非技術(shù)因素的影響，應(yīng)用于肝臟臨床方面的研究鮮有報(bào)道[17-18]。

3 總結(jié)

目前，在影像等設(shè)備的介導(dǎo)下, 主要依靠臨床醫(yī)師技能和經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)施的活體肝臟移植、肝臟腫瘤切除術(shù)的操作，存在因個(gè)人因素、影像不清晰、結(jié)構(gòu)不明確等影響的缺陷，手術(shù)實(shí)施的準(zhǔn)確性和有效性受到相當(dāng)程度的干擾?，F(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)和手術(shù)仿真研究亟待解決的重要問(wèn)題是構(gòu)建肝臟虛擬手術(shù)模型來(lái)指導(dǎo)臨床操作進(jìn)而提高手術(shù)的成功率[19]。在加強(qiáng)計(jì)算機(jī)三維重建和可視化研究、三維重建軟件對(duì)連續(xù)的二維斷層圖像的特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能識(shí)別的基礎(chǔ)上，提供一套適合肝內(nèi)膽管切除的肝臟管道系統(tǒng)數(shù)字模型進(jìn)行手術(shù)仿真探索將是亟待解決的，目前該領(lǐng)域基于臨床應(yīng)用的基礎(chǔ)研究還未見(jiàn)報(bào)道。由于在人體肝內(nèi)膽管系統(tǒng)的可視化研究方面還存在很多未知的領(lǐng)域，應(yīng)用數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集與臨床CT、MRI影像資料相結(jié)合，建立肝臟管道系統(tǒng)三維模型[20]，通過(guò)手術(shù)模擬研究虛擬手術(shù)系統(tǒng)中力反饋設(shè)備的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)輔助的肝內(nèi)膽管虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)，將對(duì)肝內(nèi)膽管手術(shù)治療的基礎(chǔ)研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

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