智能肝臟手術(shù)：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

何其寬，葉志宇，陳曉崗

（寧波市第一醫(yī)院 普外科，浙江 寧波 315000）

隨著上世紀(jì)X線、CT檢查等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的引入[1]，使得在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)診療過程獲得了大量的客觀數(shù)據(jù)支持，這有助于普外科醫(yī)生在肝臟手術(shù)過程中更好的區(qū)分病變組織與正常組織，尤其是在解剖肝臟脈管系統(tǒng)中顯得更為重要。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的不斷發(fā)展，從常規(guī)CT到多層螺旋CT，其掃描速度和分辨率都得到了顯著提升，而且CT圖像數(shù)據(jù)還可用于三維重建和心血管造影成像[2-3]。然而，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像仍存在著一些局限性，例如人工數(shù)據(jù)分析的主觀性，醫(yī)療人員的短缺，多學(xué)科交叉時醫(yī)務(wù)人員知識儲備的差異等。人工智能（artificial intelligence，AI），

是計算機(jī)系統(tǒng)理論的進(jìn)一步發(fā)展[4]，通常能夠執(zhí)行人類智能需要的任務(wù)，將AI與醫(yī)學(xué)影像結(jié)合不僅可以解決上述的局限性，更有助于掌握肝臟等臟器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與多變性。AI與傳統(tǒng)醫(yī)療模式結(jié)合的數(shù)字化智能診療技術(shù)也將為肝臟手術(shù)發(fā)展起到巨大的推動作用，進(jìn)一步促進(jìn)了精準(zhǔn)醫(yī)療在肝臟疾病中的運用。對于外科醫(yī)生來說，如何掌握數(shù)字化診療技術(shù)并將其用于臨床實踐至關(guān)重要，本文介紹了相關(guān)的數(shù)字化醫(yī)學(xué)智能診療技術(shù)。

1 三維可視化和虛擬模擬手術(shù)

Marescaux等[5]首次將三維可視化技術(shù)運用到肝臟解剖中，通過將傳統(tǒng)二維影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行重建和分析，使外科醫(yī)生可以立體、全面地觀察病變的位置、形狀和大小，可清楚顯示肝門部解剖及變異和肝內(nèi)膽管系統(tǒng)的擴(kuò)張程度，以及腫瘤侵入血管可疑部位，從而更好地進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃；并指導(dǎo)外科醫(yī)生術(shù)中快速識別病灶，有效減少出血量，減小切除范圍，保留一定體積功能性肝從而防止肝衰竭，縮短手術(shù)時間[6-8]。而且在活體肝移植中，三維重建結(jié)合虛擬模擬手術(shù)可以優(yōu)化供體選擇與靜脈重建來平衡受體與供體之間的關(guān)系，從而提高移植成功率[9]。在三維可視化重建數(shù)據(jù)下，虛擬模擬手術(shù)過程，有助于減少右葉肝切除體積保留更多的肝臟，擴(kuò)大了手術(shù)的適應(yīng)證，更加直觀地減少了患者內(nèi)心的疑慮。

2 3D打印技術(shù)

雖然三維重建圖像可以很好地顯示肝臟血管、膽道系統(tǒng)與肝實質(zhì)的三維關(guān)系，但二維計算機(jī)屏幕上呈現(xiàn)三維圖像仍然缺乏真實性。同時，由于肝臟牽引和呼吸運動引起的形態(tài)變化極大的限制了三維圖像技術(shù)在手術(shù)中的運用，因此高精度3D打印模型的出現(xiàn)可以成功克服這些困難。Zein等[10]在2013年首次通過3D打印技術(shù)打印出了半透明的肝臟模型。高精度3D打印模型可以更加直觀地反映重要血管和膽道結(jié)構(gòu)在肝臟中的空間關(guān)系，術(shù)中實時3D打印技術(shù)更有助于掌握肝臟病變的關(guān)鍵部位，縮短手術(shù)時間、降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。在肝腫瘤切除術(shù)中，可以將3D打印模型帶入手術(shù)室，便于在最佳解剖位置進(jìn)行調(diào)整，還可以將此模型置于無菌透明袋，并放置在手術(shù)區(qū)域與肝臟進(jìn)行直觀的比較。3D打印技術(shù)可幫助臨床醫(yī)生識別肝中葉腫瘤與小肝癌，進(jìn)一步行根治性切除[11]?？傊?，3D打印技術(shù)實現(xiàn)了三維圖像到三維物理模型的跨越，帶來了更深入的信息和解剖結(jié)構(gòu)的空間真實感。隨著生物材料的發(fā)展，3D打印材料的成本將不斷降低，有助于3D打印技術(shù)的普及。同時，利用生物3D打印技術(shù)可以構(gòu)建具有生理功能的人造組織器官，這也為肝移植手術(shù)中供體短缺問題提供了解決思路[12]。

3 虛擬現(xiàn)實

三維重建圖像處理技術(shù)和3D打印技術(shù)成功將肝臟二維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到真實的物理模型。然而，將三維重建圖像技術(shù)運用到實際操作過程仍然存在一定的難度，且這個階段仍然存在著空間和時間的分離，導(dǎo)致手眼不協(xié)調(diào)。虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)通過計算機(jī)模擬虛擬環(huán)境中的真實場景，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，虛擬環(huán)境與解剖信息交互，為外科醫(yī)生尤其是初學(xué)者提供逼真的三維學(xué)習(xí)環(huán)境，有助于掌握復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，清楚了解門靜脈、肝靜脈和肝動脈之間的空間關(guān)系[13]。隨著VR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，增強(qiáng)VR技術(shù)和混合VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在肝臟手術(shù)中，增強(qiáng)VR技術(shù)利用CT和MR數(shù)據(jù)重建肝臟和肝內(nèi)血管系統(tǒng)的三維圖像，這些疊加的虛擬圖像幫助外科醫(yī)生將肝內(nèi)結(jié)構(gòu)具體化和可視化，從而提高手術(shù)效率改善手術(shù)效果[14]。在腹腔鏡肝切除術(shù)中，視覺和觸覺反饋對于準(zhǔn)確評估復(fù)雜的肝內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。增強(qiáng)VR技術(shù)可以將三維視覺肝模型投射到手術(shù)區(qū)域，并在覆蓋區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)準(zhǔn)確的配置，這些疊加的虛擬圖像有助于解決腹腔鏡手術(shù)中手眼不協(xié)調(diào)的問題[15]?；旌蟅R技術(shù)是在真實環(huán)境中呈現(xiàn)虛擬場景信息，并在現(xiàn)實世界、虛擬世界和用戶之間建立交互式反饋以增強(qiáng)用戶的現(xiàn)實體驗。VR技術(shù)的應(yīng)用為縮小三維重建模型與實際操作空間之間的差距提供了新的解決方案。它在術(shù)前計劃、術(shù)中指導(dǎo)、外科教育和醫(yī)患溝通等各方面具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景[5，16]。

4 吲哚菁綠熒光成像技術(shù)

在腫瘤切除手術(shù)中，如何精確區(qū)分腫瘤與正常組織，從而實現(xiàn)最大化保留正常組織的腫瘤根治性切除一直是外科醫(yī)生不斷努力的目標(biāo)。吲哚菁綠（indocyanine green，ICG）熒光染色檢測技術(shù)現(xiàn)已廣泛用于手術(shù)中腫瘤組織的辨別，ICG分子在紅外線照射下可發(fā)出綠色熒光，在肝臟腫瘤組織中ICG大量聚集，可以顯示腫瘤邊界，門靜脈引流區(qū)域的識別，實現(xiàn)術(shù)中實時定位作用[17]。ICG熒光染料可以在肝臟中停留較長一段時間，能夠動態(tài)地觀察整個手術(shù)過程，并且在肝臟切除過程中根據(jù)肝實質(zhì)的熒光邊界進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)標(biāo)本的熒光形態(tài)，還可以初步區(qū)分腫瘤分化程度。低分化肝癌組織或轉(zhuǎn)移癌組織在癌組織周圍顯示出圓形熒光；而中度分化的肝癌組織顯示部分熒光信號；分化良好的肝癌組織顯示出完整的熒光信號[18]。Satoul等[19]首次使用ICG熒光成像技術(shù)檢測原發(fā)性肝癌的肝外轉(zhuǎn)移病灶，以便識別和定位肝外轉(zhuǎn)移，從而準(zhǔn)確切除腫瘤轉(zhuǎn)移病變組織實現(xiàn)無殘留病灶。然而，ICG熒光技術(shù)也存在著一定局限性：當(dāng)阻塞性黃疸，肝硬化和肝纖維化時會導(dǎo)致ICG排泄障礙，干擾腫瘤邊界的判斷；紅外線穿透人體組織的能力有限（10 mm左右），當(dāng)腫瘤位于肝臟深部時，需要結(jié)合術(shù)中超聲來提高肝癌的檢出率?？偟膩碚f，ICG熒光成像可以為外科醫(yī)生提供實時反饋。隨著臨床實踐和技術(shù)創(chuàng)新的進(jìn)一步發(fā)展，ICG熒光成像技術(shù)將不斷完善，為肝臟疾病的準(zhǔn)確診斷和精確治療提供了良好的應(yīng)用前景。

5 手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)

隨著計算機(jī)技術(shù)和成像技術(shù)的發(fā)展，“導(dǎo)航”技術(shù)研究被擴(kuò)展運用到手術(shù)當(dāng)中，稱為手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)。隨著各相關(guān)學(xué)科發(fā)展，多學(xué)科圖像引導(dǎo)技術(shù)也在不斷的發(fā)展，準(zhǔn)確的手術(shù)導(dǎo)航可以更好地指導(dǎo)外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)并提高手術(shù)的安全性[20]。導(dǎo)航技術(shù)是指在術(shù)前利用醫(yī)學(xué)成像設(shè)備和計算機(jī)圖像處理方法可視化患者的術(shù)前多模態(tài)圖像數(shù)據(jù)，使外科醫(yī)生在模擬操作期間匹配患者解剖結(jié)構(gòu)，并且使用3D定位系統(tǒng)實時獲取并顯示手術(shù)器械在空間中的位置，從而實現(xiàn)術(shù)中對患者解剖的精確導(dǎo)航[21]。不同于整形外科與神經(jīng)外科導(dǎo)航技術(shù)，腹部手術(shù)導(dǎo)航容易受到手術(shù)方式、肝臟形態(tài)變形與呼吸時膈肌運動的影響。而利用ICG熒光成像技術(shù)為肝臟手術(shù)提供實時解剖圖像可以在確保準(zhǔn)確性的同時實現(xiàn)實時導(dǎo)航。結(jié)合圖像投影技術(shù)，將術(shù)前計劃的三維圖像投影到肝臟表面，準(zhǔn)確識別解剖標(biāo)記，實現(xiàn)實時三維導(dǎo)航。隨著儀器設(shè)備的更新和技術(shù)的進(jìn)步，腹腔鏡肝切除術(shù)得到了迅速的推廣和發(fā)展。增強(qiáng)VR技術(shù)和混合VR技術(shù)的加入使手術(shù)區(qū)域的解剖更清晰，為術(shù)中實時導(dǎo)航提供了另一種解決方案[22]。

6 展望

數(shù)字化醫(yī)學(xué)是一門新興的學(xué)科，將現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與數(shù)字化高科技技術(shù)相結(jié)合。它涵蓋了許多學(xué)科：醫(yī)學(xué)、計算機(jī)、數(shù)學(xué)、信息學(xué)等。然而，正如許多新技術(shù)一樣，數(shù)字化診療技術(shù)仍然需要不斷地改進(jìn)與發(fā)展。其中3D可視化技術(shù)的局限性不容忽視，對于一些復(fù)雜的疾病，3D圖像不能代替原始的二維圖像數(shù)據(jù)，而且3D圖像的構(gòu)建依賴于人工分割與重組，如果操作者對解剖結(jié)構(gòu)或病變程度理解不充分，在模型圖像上反映的情況會與現(xiàn)實出現(xiàn)一定的出入。因此，要想實現(xiàn)疾病的綜合評估，一方面，3D模型制造商需要豐富的臨床經(jīng)驗；另一方面，在處理原始二維圖像數(shù)據(jù)時，需要重復(fù)進(jìn)行三維模型和二維數(shù)據(jù)的對比，盡量避免3D模型出現(xiàn)偏差[23]。為了規(guī)范3D可視化和3D打印技術(shù)的使用，中華醫(yī)學(xué)會數(shù)字醫(yī)學(xué)會就3D可視化技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜肝癌、肝門部膽管癌和肝內(nèi)膽管結(jié)石手術(shù)達(dá)成了共識[24]。然而，根據(jù)專家共識，數(shù)字化醫(yī)學(xué)在循證醫(yī)學(xué)方面仍需要進(jìn)行改進(jìn)。作為臨床指南的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字化醫(yī)學(xué)的隨機(jī)對照試驗鮮有報道，主要是由于此類試驗的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該技術(shù)運用時規(guī)避風(fēng)險的費用。如何設(shè)計高質(zhì)量的多中心隨機(jī)對照試驗數(shù)據(jù)，以評估數(shù)字醫(yī)學(xué)對外科手術(shù)的影響也是一個重要的問題。隨著現(xiàn)代化數(shù)字化信息技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字化醫(yī)學(xué)突破了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)診療模式的局限性，可以預(yù)見數(shù)字成像技術(shù)將在未來顯著改善肝臟手術(shù)預(yù)后。但是，數(shù)字醫(yī)學(xué)仍舊存在一定的不確定性，臨床療效、成本效益等問題也引起了臨床上的關(guān)注，而且其在臨床實踐中的應(yīng)用也可能會引發(fā)相關(guān)的道德倫理糾紛。

7 結(jié)論

基于可視化圖像技術(shù)，虛擬模擬手術(shù)和3D打印等三維重建術(shù)對肝臟病變的術(shù)前評估與手術(shù)計劃的決策直接相關(guān)。通過影像學(xué)預(yù)測術(shù)后并發(fā)癥及是否復(fù)發(fā)有助于提高手術(shù)的可控性，ICG分子熒光成像和腹部手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)解決了傳統(tǒng)手術(shù)中依靠肉眼直接觀察或術(shù)前圖像評估病變的局限性。雖然數(shù)字化智能醫(yī)學(xué)診療技術(shù)集成了多學(xué)科技術(shù)，為臨床疾病的診斷和治療服務(wù)提供了很多便利，但在臨床實踐中仍有不足之處仍需要不斷完善。未來，對成像技術(shù)、手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)等的深入研究將為手術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來新的機(jī)遇。