三維重建與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在肝臟外科的應(yīng)用

李成剛

李成剛, 解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心肝膽外二科 北京市 100853

0 引言

三維(three-dimensional,3D) 重建技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對(duì)3D物體建立的一種數(shù)學(xué)模型,該模型可以在計(jì)算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行操作、處理和分析,此項(xiàng)技術(shù)也是虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù).常規(guī)計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)或磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)檢查僅能提供肝臟檢查的二維信息,而通過肝臟3D重建軟件能更直觀、形象并且多角度地顯示肝臟體積、解剖、脈管的走行、腫瘤的部位及其與周圍管道系統(tǒng)之間的關(guān)系[1-3].術(shù)前對(duì)患者肝臟進(jìn)行3D重建可以實(shí)現(xiàn)肝臟體積的測(cè)量及實(shí)施模擬肝切除術(shù),可以使術(shù)者進(jìn)一步明確手術(shù)切除范圍,確保殘余肝臟體積和殘肝功能滿足患者術(shù)后需求,通過術(shù)前的虛擬手術(shù)還可以防止術(shù)中誤傷肝內(nèi)的重要血管和膽管,顯著縮短手術(shù)的時(shí)間,減少術(shù)中出血,減少術(shù)后肝功能不全、膽漏及出血等并發(fā)癥的發(fā)生.

目前3D重建及VR技術(shù)已經(jīng)在肝臟外科中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用,術(shù)前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)肝臟腫瘤重新定位、判斷腫瘤與周圍血管和膽管的關(guān)系、虛擬手術(shù)切割腫瘤.以此同時(shí)還可以測(cè)算全肝體積、腫瘤體積、擬切除肝臟體積、標(biāo)準(zhǔn)肝體積及殘余肝體積[4-6].3D重建及VR技術(shù)可以幫助外科醫(yī)生優(yōu)化手術(shù)方案,提前預(yù)判術(shù)中可能遇到的意外情況,確保肝臟手術(shù)順利完成.

1 術(shù)前規(guī)劃與虛擬手術(shù)

肝臟解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,肝內(nèi)血管和膽管系統(tǒng)變異情況較多,肝臟切除手術(shù)目前仍是一類高風(fēng)險(xiǎn)的手術(shù),并發(fā)癥發(fā)生率與手術(shù)病死率較高.目前肝臟外科手術(shù)前對(duì)于肝內(nèi)病變的診斷和手術(shù)方案設(shè)計(jì)還主要依賴于外科醫(yī)師對(duì)連續(xù)的二維圖像在人腦中進(jìn)行的3D重建.人腦3D重建需要熟練的閱片經(jīng)驗(yàn),并需要一定的外科手術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累,經(jīng)過長(zhǎng)期的?？朴?xùn)練才能形成.人腦重建圖像具有臨時(shí)性和不穩(wěn)定性,難以呈現(xiàn)在整個(gè)治療團(tuán)隊(duì)面前,每個(gè)外科醫(yī)師重建的結(jié)果與實(shí)際情況符合的程度也不盡相同,與術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)水平顯著相關(guān).利用3D重建軟件,可對(duì)肝臟CT或MRI影像數(shù)據(jù)進(jìn)行3D重建.此類軟件系統(tǒng)可充分了解肝內(nèi)脈管的走行情況和是否存在變異,同時(shí)判斷腫瘤與它們的空間位置關(guān)系.

基于薄層CT或MRI數(shù)據(jù)的個(gè)體化肝臟3D重建模型,可以使外科醫(yī)生更直觀、清晰并且多維度地了解腫瘤位置及其與肝內(nèi)脈管之間的毗鄰關(guān)系.通過3D重建技術(shù)建立的3D模型還可根據(jù)不同需要來(lái)進(jìn)行肝臟、腫瘤與脈管的自由組合或適當(dāng)透明化.通過放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等功能的變化,可使外科醫(yī)生多角度、全方位觀察并分析肝內(nèi)脈管的分布情況,了解其與腫瘤的空間關(guān)系,還可以測(cè)量肝腫瘤與相關(guān)脈管的距離.利用3D重建技術(shù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃和模擬手術(shù)并可以實(shí)施術(shù)中引導(dǎo),有利于縮短手術(shù)時(shí)間、提高手術(shù)安全性、同時(shí),3D重建技術(shù)還可以自動(dòng)為肝臟分段,精確定位腫瘤所在肝段或肝葉的位置,利用虛擬肝切除技術(shù)可計(jì)算切除肝的體積和殘余肝臟的體積.3D重建的模型具有個(gè)體化特點(diǎn),重建的圖像可以永久性地呈現(xiàn)在治療團(tuán)隊(duì)面前[7-9].

肝臟外科手術(shù)過程中需要考慮的因素主要包括以下幾點(diǎn):(1)腫瘤所在部位及剩余肝臟的靜脈回流系統(tǒng);(2)腫瘤的血供,肝動(dòng)脈和門靜脈供應(yīng)分支; (3)足夠的腫瘤切緣; (4)足夠的剩余肝臟體積等.3D重建模型可以顯示供應(yīng)腫瘤的肝動(dòng)脈及門靜脈分支,并可以顯示相應(yīng)的回流肝靜脈,幫助外科醫(yī)生判斷是采取規(guī)則性肝段切除還是行不規(guī)則性肝切除等手術(shù)方式,術(shù)前即可判斷切除范圍等.

3D重建技術(shù)除了可以提供精確的肝臟、腫瘤及肝內(nèi)脈管系統(tǒng)的3D影像,其虛擬手術(shù)功能更能協(xié)助術(shù)者設(shè)計(jì)手術(shù)規(guī)劃.虛擬手術(shù)是在3D重建肝內(nèi)管道系統(tǒng)及腫瘤解剖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過軟件建立可交互操作的平臺(tái),模擬手術(shù)操作的過程.虛擬手術(shù)可以提前展現(xiàn)真實(shí)手術(shù)過程中可能遇到的重要管道結(jié)構(gòu),以便術(shù)者事先制定必要的防范對(duì)策.通過計(jì)算擬切除肝臟的體積和殘余肝臟的體積,判斷術(shù)后肝功能不全發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),有利于制定個(gè)體化手術(shù)方案,減少損傷肝內(nèi)重要結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)并降低術(shù)后肝功能不全發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[10-12].

虛擬手術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是具有任意性和可重復(fù)性.術(shù)前預(yù)先模仿實(shí)際手術(shù)的操作過程,可以提前發(fā)現(xiàn)在實(shí)際手術(shù)過程中可能出現(xiàn)的復(fù)雜險(xiǎn)要情況.如當(dāng)設(shè)定的切除層面可能損傷肝內(nèi)重要膽管和血管時(shí),術(shù)者可對(duì)手術(shù)切除層面作出相應(yīng)的調(diào)整和修改.經(jīng)過模擬不同手術(shù)方案并進(jìn)行比較后再制定出合理的個(gè)體化手術(shù)方案,術(shù)者事先可以采取必要的防范措施確保實(shí)際手術(shù)的安全.對(duì)于活體肝移植時(shí)供肝的切取,虛擬手術(shù)可以通過多次模擬手術(shù)操作,優(yōu)化手術(shù)層面,確定最佳的供肝切除范圍,可降低損傷殘留肝臟血管和膽管的危險(xiǎn),最大程度地保留供肝和殘余肝臟的血液循環(huán).

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與術(shù)中導(dǎo)航

隨著3D重建及VR技術(shù)的發(fā)展,術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在整形外科、神經(jīng)外科和頜面外科等專科中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[13-15].VR導(dǎo)航系統(tǒng)在肝臟外科手術(shù)中的應(yīng)用也已開展,術(shù)中導(dǎo)航聯(lián)合術(shù)中超聲引導(dǎo)在開腹肝切除手術(shù)中的使用已有報(bào)道,VR技術(shù)可以將術(shù)前規(guī)劃的影像數(shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)手術(shù)操作,為術(shù)者引導(dǎo)切除過程,使得肝切除手術(shù)的開展更加安全和便捷.

VR技術(shù)在肝臟手術(shù)中導(dǎo)航的應(yīng)用主要是通過3D重建和VR交互技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的:(1)肝臟3D模型的重建:外科醫(yī)師可以將肝臟的虛擬3D模型或采用3D打印的肝臟模型帶進(jìn)手術(shù)室,在術(shù)中為術(shù)者進(jìn)行肝臟手術(shù)的間接實(shí)時(shí)引導(dǎo).借助于這些模型的指導(dǎo),進(jìn)行肝切除術(shù)時(shí),術(shù)者能夠快速識(shí)別和定位關(guān)鍵部位,精確定位腫瘤并確定手術(shù)切除平面,還可以實(shí)時(shí)引導(dǎo)術(shù)者注意重要脈管的解剖和腫瘤的切除.3D重建技術(shù)輔助的肝臟切除手術(shù)可有效減少損傷、降低并發(fā)癥發(fā)生率從而提高手術(shù)的安全性; (2)VR交互:虛擬的肝臟3D模型是透明化的,但在真實(shí)肝臟手術(shù)過程中外科醫(yī)生無(wú)法實(shí)時(shí)了解即將遇到的各種管道,這將會(huì)增加意外出血和膽道損傷的風(fēng)險(xiǎn).如何能做到“知己知彼”對(duì)于術(shù)者來(lái)說尤為重要,VR交互技術(shù)的發(fā)展為肝臟外科醫(yī)生提供了一雙穿透肝臟的“透視眼”.

VR交互技術(shù)能夠?qū)⑿g(shù)前3D重建的肝臟3D模型和術(shù)中患者真實(shí)的肝臟配準(zhǔn)融合,術(shù)者戴上專用的頭罩和眼鏡就可以實(shí)時(shí)看到肝臟內(nèi)部的腫瘤和管道系統(tǒng),不需要醫(yī)生在圖像顯示器和實(shí)際手術(shù)操作區(qū)域間進(jìn)行視野的切換.這一技術(shù)的使用可以改善醫(yī)生手眼不協(xié)調(diào)的問題,為肝臟切除手術(shù)提供實(shí)時(shí)的3D術(shù)中導(dǎo)航,提前使醫(yī)生知道即將遇到的重要血管或膽管,從而最大限度地保證手術(shù)安全.但在實(shí)際的肝臟手術(shù)過程中,通常需要游離肝臟或由于術(shù)者的操作和患者呼吸運(yùn)動(dòng)而引起肝臟形態(tài)發(fā)生改變,這會(huì)影響VR匹配不準(zhǔn)等問題.解決此類問題需要更合適的肝臟生物力學(xué)模型構(gòu)建算法、更精確的圖像分割算法和導(dǎo)航配準(zhǔn)算法等來(lái)共同來(lái)解決.目前國(guó)內(nèi)已有很多企業(yè)或團(tuán)隊(duì)正在從事這些方面的研究[16-19].

近年來(lái),腹腔鏡和機(jī)器人肝切除術(shù)已經(jīng)在越來(lái)越多的單位得到了開展.腹腔鏡和機(jī)器人手術(shù)存在著一個(gè)共同的缺陷,那就是外科醫(yī)生對(duì)直接視覺和觸覺反饋的喪失,而將VR技術(shù)引入到腹腔鏡和機(jī)器人肝切除手術(shù)中則可在一定程度上解決這一問題.以機(jī)器人肝臟手術(shù)為例,機(jī)器人手術(shù)操作系統(tǒng)在術(shù)者和患者之間增加了計(jì)算機(jī)界面,這為VR技術(shù)的應(yīng)用提供了很好的平臺(tái).通過在機(jī)器人身上安裝內(nèi)鏡照相機(jī)等輔助設(shè)備,可以在手術(shù)操作的同時(shí)構(gòu)建實(shí)時(shí)的3D圖像和虛擬模型,從而更加精確地指導(dǎo)手術(shù)的實(shí)施.已有研究者將VR技術(shù)疊映至達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的主操縱系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)最佳的工具配位方案[20-22].

VR技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)所有肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)的精確和快速的識(shí)別,大大提高機(jī)器人肝臟切除手術(shù)的成功率.VR技術(shù)與機(jī)器人手術(shù)操作系統(tǒng)的結(jié)合將是未來(lái)外科醫(yī)療發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì).VR技術(shù)如果想在肝臟手術(shù)導(dǎo)航中發(fā)揮更大的作用需要依賴于生物力學(xué)建模、顯示傳感技術(shù)和目標(biāo)識(shí)別算法的更進(jìn)一步的發(fā)展.

3 結(jié)論

3D重建技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)肝臟及肝內(nèi)腫瘤的術(shù)前精確診斷,還可以協(xié)助完成術(shù)前手術(shù)規(guī)劃,這對(duì)于術(shù)中精確的操作有很大幫助.3D可視化外科導(dǎo)航技術(shù)在肝臟外科手術(shù)中已經(jīng)開始得到了應(yīng)用.虛擬手術(shù)技術(shù)現(xiàn)在仍處于初級(jí)研發(fā)階段,它僅可以對(duì)肝臟3D重建模型進(jìn)行模擬的手術(shù)操作,還不能完全展示實(shí)際的手術(shù)場(chǎng)景.VR技術(shù)應(yīng)用于肝臟外科,能讓我們獲得更加直觀具體的3D模型、更加全面的圖像信息、更加通俗易懂的教學(xué)方式和醫(yī)患溝通手段,這些都將有利于更加精確地指導(dǎo)肝臟手術(shù)的實(shí)施和教學(xué)訓(xùn)練.隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、肝臟外科學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)的進(jìn)一步交叉融合,VR技術(shù)將更好地應(yīng)用于肝臟外科手術(shù)中導(dǎo)航及虛擬手術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)建,必將給肝臟外科帶來(lái)巨大的進(jìn)步.3D重建和VR技術(shù)的進(jìn)一步成熟,其在肝臟外科手術(shù)中的應(yīng)用也正展現(xiàn)出光明的前景.