數(shù)字腎及其應(yīng)用展望

孫圣坤 王威 陳光富 張旭

1中國人民解放軍總醫(yī)院泌尿外科 100853 北京

數(shù)字醫(yī)學(xué)是醫(yī)學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的前沿交叉學(xué)科，美國可視人項(xiàng)目(Visible Human Project, VHP)于1994年和1995年分別完成男、女兩個(gè)人體數(shù)字化數(shù)據(jù)集，開創(chuàng)了數(shù)字解剖學(xué)和數(shù)字化虛擬人體的新時(shí)代[1, 2]。國內(nèi)第三軍醫(yī)大學(xué)(現(xiàn)陸軍醫(yī)科大學(xué))以及南方醫(yī)科大學(xué)在2003年左右完成了中國數(shù)字人女1號、男1號，已完成8套能代表中華民族特色的數(shù)據(jù)集[3, 4]。

歐美等國在數(shù)字醫(yī)學(xué)研究方面起步較早，并在肝膽外科等領(lǐng)域進(jìn)行了臨床應(yīng)用研究。1991年Soyer等[5]報(bào)道了利用三維重建技術(shù)成功地確定肝段和亞肝段解剖，并進(jìn)行肝轉(zhuǎn)移性癌術(shù)前肝段定位的臨床研究，1998年即開始了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬肝臟外科手術(shù)，通過術(shù)前三維重建，成功模擬了腹腔鏡肝葉切除并與真實(shí)手術(shù)高度相似[6, 7]。2001年Hohne等[8]報(bào)告了利用可視化人體數(shù)據(jù)建立人體內(nèi)部器官模型的方法，Shin等[9]利用韓國數(shù)字人體數(shù)據(jù)重建了肝臟表面模型。國內(nèi)方馳華等在中國數(shù)字人研究基礎(chǔ)上，利用醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)進(jìn)行三維重建，將其導(dǎo)入虛擬手術(shù)系統(tǒng)中，并利用仿真手術(shù)器械進(jìn)行腹腔鏡膽囊結(jié)石、半肝切除、活體腎移植等仿真手術(shù)，提高了手術(shù)成功率，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[10～12]。

但數(shù)字醫(yī)學(xué)在腎臟外科的研究應(yīng)用較少。從信息學(xué)角度分析，腎臟具有以下特點(diǎn)：①在內(nèi)臟器官中，腎臟是為數(shù)不多的具有剛性特征的器官。大部分人體內(nèi)臟器官如心、肝、肺、胃腸等，均為非剛性器官，受到外力作用時(shí)容易產(chǎn)生局部變形和移動(dòng)，而腎臟質(zhì)地相對較硬，即使在外力作用下也會(huì)保持外形的穩(wěn)定，因此根據(jù)影像學(xué)建立的虛擬腎臟模型能反應(yīng)腎臟的真實(shí)情況；②腎臟在人體內(nèi)位置比較固定，位于后腹腔空間，被周圍脂肪及肌肉固定，隨呼吸活動(dòng)度僅3～4 cm，掃描時(shí)干擾因素少；③腎臟周圍包繞有腎周脂肪，形成一個(gè)天然的分界面，有利于進(jìn)行圖像分割；④腎臟表面規(guī)則圓鈍，進(jìn)行建模時(shí)不容易丟失局部細(xì)節(jié)信息；⑤腎臟血供豐富，約占人體血流的20%～25%，注入造影劑后增強(qiáng)對比明顯，提取信息十分方便；⑥腎臟最主要的功能是產(chǎn)生尿液，相比肝臟等其他器官，其功能相對簡單，產(chǎn)生的尿液容易計(jì)量，便于進(jìn)行功能分析。以上這些特點(diǎn)，決定了數(shù)字腎研究具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，因此，我們于2012提出了“數(shù)字腎”概念并進(jìn)行研究[13, 14]。

1 數(shù)字腎構(gòu)建方法

通過將醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和通訊(digital imaging and communications in medicine, DICOM)格式圖片導(dǎo)入到MIMICS(materiaise's interactive medical image control system)等醫(yī)學(xué)三維重建軟件后，進(jìn)行建模，得到含有患者腎臟真實(shí)數(shù)字信息的模型，我們稱之為“數(shù)字腎”。圖像分割是數(shù)字腎建立的基礎(chǔ)，我們采用區(qū)域生長法進(jìn)行圖像分割，建立的數(shù)字腎能夠幫助醫(yī)生準(zhǔn)確把握腎臟及其病變的解剖學(xué)特點(diǎn)。我們認(rèn)為，完整的數(shù)字腎既包括反映形態(tài)學(xué)特征的解剖數(shù)字腎，又包括反映其排泄特征的功能數(shù)字腎。

2 解剖數(shù)字腎及其應(yīng)用

數(shù)字腎是基于患者個(gè)體化特征而建立的，可在患者教育、醫(yī)患交流、醫(yī)學(xué)教學(xué)、解剖研究、手術(shù)設(shè)計(jì)等方面廣泛應(yīng)用，未來將在以下方面取得突破性進(jìn)展。

2.1 數(shù)字腎在醫(yī)患交流及輔助醫(yī)生決策方面的應(yīng)用

數(shù)字腎可以應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃、患者教育、手術(shù)方式預(yù)演、3D打印等。2012年我們對1例腹腔鏡腎部分切除進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，所建模型有助于術(shù)前對腫瘤所在位置、大小、切除后的瘤床狀態(tài)做一個(gè)基本的判斷，幫助醫(yī)生預(yù)知術(shù)中的真實(shí)場景[14]。

2.2 數(shù)字腎在內(nèi)生性腎腫瘤術(shù)中的定位作用

內(nèi)生性腫瘤手術(shù)的主要難點(diǎn)不在于怎樣切除腫瘤，而是怎樣找到腫瘤。目前的通用方法是術(shù)中應(yīng)用專用的腹腔鏡超聲探頭進(jìn)行定位，其缺點(diǎn)在于要求術(shù)者具備豐富的B超影像知識，在腹腔鏡手術(shù)空間有限的情況下有時(shí)會(huì)影響手術(shù)操作[15]。采用機(jī)器人輔助腹腔鏡手術(shù)時(shí)，還要將腔內(nèi)超聲圖像整合到機(jī)器人三維圖像中供術(shù)者閱讀，這需要更為復(fù)雜的技術(shù)和設(shè)備。Teber等[16]術(shù)中應(yīng)用C臂獲得即時(shí)圖像，然后應(yīng)用MITK進(jìn)行圖像分割，形成三維虛擬圖像，再用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息疊加到腹腔鏡手術(shù)的真實(shí)場景中，完成了10例內(nèi)生性腎腫瘤的定位，但這一技術(shù)需要術(shù)中特殊的影像導(dǎo)航設(shè)備并進(jìn)行術(shù)中復(fù)雜的運(yùn)算，并不可避免會(huì)受到周圍組織的干擾。2017年我們開始嘗試將數(shù)字腎應(yīng)用于內(nèi)生性腎腫瘤的定位。我們在MIMICS軟件中建立數(shù)字腎以后，執(zhí)行“在表面測量距離(measure distance over the surface)”命令，利用腎臟的上下極、外輪廓線得到腎腫瘤定位數(shù)據(jù)，然后在腹腔鏡中放入軟尺，按照術(shù)前測定好的距離進(jìn)行術(shù)中定位，成功完成了2例內(nèi)生性腫瘤的術(shù)中定位[17]。最近Fan等[18]通過術(shù)前腎臟3D打印，根據(jù)術(shù)中的解剖標(biāo)志進(jìn)行測量定位，成功定位5例完全內(nèi)生性腎腫瘤并實(shí)施腎部分切除。需要指出的是，但由于腎臟的上下極不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)面，因此這種定位方法是比較粗略的。

如果利用現(xiàn)在市場上虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)優(yōu)勢，將預(yù)先生成的數(shù)字腎圖像疊加到顯示器上，就能將數(shù)字腎與腹腔鏡圖像進(jìn)行融合，達(dá)到術(shù)中精準(zhǔn)的內(nèi)生性腫瘤定位。我們在2017年第24屆全國泌尿外科學(xué)會(huì)年會(huì)進(jìn)行了此項(xiàng)技術(shù)的報(bào)告。

2.3 數(shù)字腎預(yù)估殘存腎臟體積。

隨著手術(shù)技術(shù)及器械的改進(jìn)，腎部分切除術(shù)逐漸成為腎腫瘤的主流手術(shù)。但對于較大的腎腫瘤，腫瘤切除后患者是否能夠從殘存腎臟受益，目前還缺乏統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。殘存腎臟體積往往和腎臟功能成比例，但殘腎體積過小時(shí)仍然有腎萎縮、腎性高血壓的風(fēng)險(xiǎn)。通過數(shù)字腎在術(shù)前預(yù)估殘存腎臟體積，有利于幫助醫(yī)生和患者做出是否保腎的決策。

2.4 數(shù)字腎評估腫瘤靶向治療效果

較大腎腫瘤或轉(zhuǎn)移性腎腫瘤需要應(yīng)用靶向治療，目前評估腎癌靶向治療效果，主要是在CT上比較腫瘤的徑線，而且不同醫(yī)療單位采集的圖像難以進(jìn)行比較。普通CT影像只是二維層面的比較，腫瘤的三維體積變化能夠真正反應(yīng)靶向藥物的治療敏感性。采用數(shù)字腎，則可以對原發(fā)腫瘤或轉(zhuǎn)移腫瘤的體積進(jìn)行精確的評估，從而判斷靶向藥物的療效，不同醫(yī)療單位的圖像也可以進(jìn)行比較評價(jià)。

2.5 數(shù)字腎判斷腎結(jié)石負(fù)荷

腎結(jié)石大小和硬度是預(yù)判碎石時(shí)間的重要依據(jù)。目前評估結(jié)石大小的主要方法是在X線或B超的二維圖像中測量結(jié)石的不同徑線，或者以數(shù)學(xué)模型根據(jù)徑線數(shù)值計(jì)算表面積[19]。由于結(jié)石多為不規(guī)則形，這種方法誤差很大。我們通過動(dòng)態(tài)區(qū)域生長法，建立腎結(jié)石三維模型，在“mask”屬性欄中直接得到結(jié)石的平均CT值，借以判斷結(jié)石的硬度；同時(shí)可以直接得到結(jié)石的準(zhǔn)確體積。另外通過對集合系統(tǒng)的外形分析，可選擇經(jīng)皮穿刺的相應(yīng)腎盞進(jìn)行穿刺，從而優(yōu)化經(jīng)皮腎鏡的穿刺策略。

解剖數(shù)字腎是數(shù)字腎的研究基礎(chǔ)。但如果僅僅停留在解剖數(shù)字腎基礎(chǔ)上，進(jìn)行三維重建或3D打印，則丟失了其中蘊(yùn)含的大量數(shù)字信息。我們發(fā)現(xiàn)，數(shù)字腎中隱藏了腎臟的功能參數(shù)。數(shù)字腎既包括傳統(tǒng)意義的解剖數(shù)字腎，又包括建立在解剖基礎(chǔ)上的功能數(shù)字腎。

3 功能數(shù)字腎及其研究

解剖數(shù)字腎主要集中于腎臟的形態(tài)學(xué)研究，功能數(shù)字腎則側(cè)重于腎臟排泌尿液的功能研究。

3.1 功能數(shù)字腎用于分腎功能測定

在分腎功能測定上，目前廣泛使用的是IVP，但其只是一個(gè)定性或半定量的判斷，并且需要使用大劑量造影劑，有引起造影劑腎病的風(fēng)險(xiǎn)。同位素掃描是目前臨床上腎功能檢查的金標(biāo)準(zhǔn)，但它不能顯示泌尿系統(tǒng)的形態(tài)，具備放射性污染是其固有的缺陷。GFR測定也具有很多局限性，由于血清肌酐水平通常并不穩(wěn)定，不僅受腎功能影響，還受血漿總量、肌酐生物合成速度等影響，并且不能排除對側(cè)腎臟的代償影響[20]。數(shù)字腎通過一次CT增強(qiáng)掃描，可以直接測量腎集合系統(tǒng)體積內(nèi)造影劑量，因此可以精確量化腎臟的排泄功能。

3.2 功能數(shù)字腎應(yīng)用于腎臟腫瘤的鑒別診斷

當(dāng)前對于腎臟腫瘤的定性判斷，無論MRI還是CT，均是基于平面圖像的信息作出肉眼判斷。但腫瘤是具有空間立體結(jié)構(gòu)的實(shí)體。數(shù)字腎可以從三維角度綜合分析腫瘤實(shí)體的影像學(xué)特點(diǎn)包括形狀、大小、灰度和紋理特征等。雖然基于MRI的三維重建目前研究較少，但MRI具有強(qiáng)大的功能成像技術(shù)，隨著圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，如果將MRI功能成像與功能數(shù)字腎相結(jié)合，將為腎臟外科疾病的診療提供嶄新的手段。

綜上所述，數(shù)字腎既包含了豐富的解剖信息，具有現(xiàn)實(shí)的可操作性，又能反應(yīng)出腎臟最主要的功能特征。解剖數(shù)字腎已經(jīng)有了相對充分的研究，但功能數(shù)字腎方面的研究才剛剛開始?？梢灶A(yù)見，含有大量數(shù)據(jù)信息的數(shù)字腎，借助于人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，將促進(jìn)腎臟外科向精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化、個(gè)體化、智能化方向發(fā)展。