三維可視化技術(shù)在原發(fā)性肝癌外科手術(shù)中的應(yīng)用

陳昭碩，林科燦，劉景豐

1 福建醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院 肝膽胰外科，福州 350014； 2 福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 肝膽胰外科，福州 350004

原發(fā)性肝癌(以下簡稱肝癌)是全世界范圍內(nèi)常見的惡性腫瘤之一，在2018年全球惡性腫瘤發(fā)病率中排名第6位，是第4位腫瘤致死原因[1]。我國肝癌發(fā)病人數(shù)和死亡人數(shù)均占全球一半以上[2]。隨著近些年來以外科手術(shù)為主的綜合治療的不斷發(fā)展，肝癌患者的預(yù)后取得明顯改善[3]。肝臟的脈管系統(tǒng)(肝動脈、肝靜脈、門靜脈和膽道系統(tǒng))十分復(fù)雜，以往外科醫(yī)師需要依靠CT、MRI等非立體的斷層影像信息，在頭腦中整合立體的三維印象，然而受限于個人臨床經(jīng)驗和三維重構(gòu)能力不同，往往存在不確定性。1998年，Marescaux等[4]首次使用三維可視化技術(shù)描繪肝臟脈管系統(tǒng)。此后，三維可視化技術(shù)不斷推廣與發(fā)展，革命性實現(xiàn)術(shù)前即可清晰、直觀掌握肝癌的三維解剖和形態(tài)特征的診療模式[5]。以三維可視化、3D打印、虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)、增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)、吲哚菁綠(indocyaninegreen，ICG)分子熒光影像、多模圖像實時融合導(dǎo)航肝切除術(shù)等技術(shù)為代表的數(shù)字智能化技術(shù)的出現(xiàn)，為肝癌精確診斷、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航的實施提供了全新的方法。

1 三維可視化技術(shù)在肝癌術(shù)前規(guī)劃中的應(yīng)用

肝臟具有復(fù)雜的脈管系統(tǒng)，術(shù)前準(zhǔn)確判斷肝血管、膽管的變異能夠影響手術(shù)決策、減少術(shù)中重要管道的損傷以及降低術(shù)后并發(fā)癥。方馳華等[6]研究納入我國7家醫(yī)療中心的1665例肝癌手術(shù)患者，通過三維可視化分析顯示肝血管變異率高達53.2%，且術(shù)中所見肝動脈、門靜脈及肝靜脈的變異情況與術(shù)前三維可視化一致。三維可視化技術(shù)還可準(zhǔn)確、直觀地評估門靜脈變異情況[7]，確定斷肝平面，規(guī)劃門靜脈重建，提高手術(shù)安全性。三維可視化技術(shù)可進行術(shù)前殘肝體積計算及虛擬仿真手術(shù)，通過充分而詳實的術(shù)前規(guī)劃，有效減少肝切除術(shù)后并發(fā)癥。研究[8-9]顯示，1025例應(yīng)用三維可視化技術(shù)的肝癌肝切除患者的術(shù)后肝衰竭發(fā)生率為3.7%，圍手術(shù)期病死率為0.59%；5家醫(yī)療中心876例應(yīng)用三維可視化技術(shù)的肝癌肝切除患者的術(shù)后肝衰竭發(fā)生率為1.5%，圍手術(shù)期病死率為4.1%。Okuda等[10]發(fā)現(xiàn)肝內(nèi)膽管癌患者行術(shù)前三維重建，有利于提高術(shù)中切緣的陰性率。結(jié)合新興的3D打印技術(shù)，可將三維可視化圖像通過逐層打印的方式構(gòu)造出個體化的立體物理模型，實現(xiàn)空間維度跨越式轉(zhuǎn)變。2013年，Zein等[11]首次報道3D打印技術(shù)在肝癌手術(shù)中的應(yīng)用。3D打印模型最實質(zhì)性的優(yōu)點在于可以帶入手術(shù)室，在手術(shù)過程中與真實肝臟進行比較，并調(diào)整最佳解剖位置以識別肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)[12]。Xiang等[7]報道3D打印技術(shù)能夠準(zhǔn)確識別門靜脈的變異，進行保留來自門靜脈右前支的Ⅳ段分支的右半肝切除術(shù)，有效防止術(shù)后Ⅳ段缺血，避免術(shù)后肝功能失代償。對于需行血管重建的復(fù)雜性肝臟手術(shù)，3D打印最大的優(yōu)勢是血管重建關(guān)鍵區(qū)域的立體可視化、血管浸潤需切除長度的預(yù)估和重建方案的制訂[13]。近年研究[14]顯示，最新的3D生物打印模型由生物材料和肝細(xì)胞共同組成，具有生物相容性、可擴展性和成本較低的優(yōu)勢。這些模型將在肝生物工程，甚至模擬人工肝等方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用，為肝衰竭患者帶來新的曙光。

2 VR技術(shù)在肝癌術(shù)前規(guī)劃中的應(yīng)用

VR技術(shù)是計算機軟硬件技術(shù)、傳感技術(shù)、人機接口技術(shù)及人工智能等科學(xué)領(lǐng)域飛速發(fā)展的結(jié)晶。在三維可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上，VR技術(shù)可創(chuàng)建一個虛擬的三維立體環(huán)境，手術(shù)醫(yī)師可在術(shù)前通過頭戴式眼鏡對虛擬環(huán)境中的3D模型進行全方位、多角度觀察，再對模型進行縮放、旋轉(zhuǎn)、透視化、刪減處理，使術(shù)者能夠立體、清晰、精準(zhǔn)地了解腫瘤的位置及其周圍血管的關(guān)系，實現(xiàn)對肝內(nèi)外病灶的精確定位[15]。VR技術(shù)提供的虛擬手術(shù)場景，使術(shù)者可以在模擬真實手術(shù)，反復(fù)練習(xí)，尋求最佳的手術(shù)路徑，同時有助于手術(shù)組成員進一步熟悉手術(shù)步驟，從而縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血及損傷。Sampogna等[16]研究顯示，術(shù)前行VR模擬手術(shù)的肝癌患者，術(shù)中出血量、手術(shù)時間明顯減少。Mise 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)前進行三維重建及VR虛擬肝切除的肝癌患者，解剖性肝段切除率高于對照組，雖然整體上兩組的5年總生存期及無進展生存期無統(tǒng)計學(xué)差異，但是在肝功能儲備差(ICG 15 min滯留率>10%)的肝癌患者中，行VR虛擬肝切除患者的無進展生存期明顯優(yōu)于對照組。也有報道[18]針對巨塊型肝癌患者術(shù)前進行三維重建并轉(zhuǎn)化為VR模型，能夠最大程度防止術(shù)中血管損傷，預(yù)防術(shù)后殘肝不足所致的肝衰竭。然而，在臨床現(xiàn)實中，患者的呼吸運動、術(shù)中體位等因素均可能引起術(shù)中形變。因此，僅僅依靠VR技術(shù)無法實現(xiàn)術(shù)中精確實時導(dǎo)航。

3 AR技術(shù)在肝癌術(shù)中導(dǎo)航的應(yīng)用

AR技術(shù)由VR 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，主要包括三維重建、顯示、跟蹤和配準(zhǔn)技術(shù)，與前述技術(shù)的主要區(qū)別是配準(zhǔn)技術(shù)。配準(zhǔn)是將虛擬圖像和真實圖像中的相應(yīng)數(shù)據(jù)點鏈接到一個坐標(biāo)系中的過程，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的技術(shù)[19-20]。2014年，Beat Müller-Stich 教授團隊[21]首次利用腹腔鏡技術(shù)結(jié)合AR術(shù)中導(dǎo)航切除肝腫瘤，AR圖像與腹腔鏡圖像匹配較好，手術(shù)進展順利，患者無術(shù)后并發(fā)癥出院。Phutane等[22]基于AR技術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，使外科醫(yī)生通過佩戴光學(xué)透視式頭戴式顯示器(optical see-through head-mounted displays，OST-HMD)獲得融合圖像，將虛擬解剖結(jié)構(gòu)與術(shù)中真實場景相結(jié)合，精確定位肝內(nèi)腫瘤及關(guān)鍵部位，從而減少術(shù)中出血，縮短手術(shù)時間。與骨科和神經(jīng)外科的剛性手術(shù)導(dǎo)航不同，肝臟為非剛性結(jié)構(gòu)，腹腔鏡術(shù)中氣腹、呼吸運動、心跳和手術(shù)操作導(dǎo)致的術(shù)中形變均顯著影響AR術(shù)中導(dǎo)航的準(zhǔn)確性[23-24]。為此，近年來國內(nèi)外專家在該領(lǐng)域付出不懈探索和努力。在開放手術(shù)方面，Okamoto等[25]通過增加3D攝像機、立體顯示器和OST-HMD的運用，完成了包括右半肝切除術(shù)、尾狀葉切除術(shù)、膽總管切除術(shù)及肝管-空腸吻合術(shù)，實際切除線與術(shù)前預(yù)設(shè)切除線之間的誤差約為5 mm，極大改善了手術(shù)準(zhǔn)確性的手術(shù)時間。Tang等[26]應(yīng)用基于AR的術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)及肝臟3D打印模型，完成1例肝門部膽管癌的肝切除及淋巴結(jié)清掃術(shù)，術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)能夠精確定位手術(shù)區(qū)域，提高手術(shù)安全性與準(zhǔn)確性。而腹腔鏡手術(shù)及機器人手術(shù)相比開放手術(shù)具有更寬廣的視野及更少的術(shù)中形變，使AR術(shù)中導(dǎo)航運用的更加廣泛。Bertrand等[27]使用新興的AR軟件——Hepataug，將一個可變形的術(shù)前模型半自動地覆蓋到腹腔鏡圖像上，能夠有效減少術(shù)中形變，已順利開展了17例腹腔鏡肝切除手術(shù)。Zhang等[28]通過自主研發(fā)的3DLARN(腹腔鏡AR導(dǎo)航系統(tǒng))，通過融合術(shù)前3D模型實現(xiàn)了腹腔鏡解剖性肝切除的實時導(dǎo)航，將85例患者分為術(shù)中導(dǎo)航組及非術(shù)中導(dǎo)航組，結(jié)果證實前者出血量、輸血率及住院時間均較后者明顯減少。最近一項研究[29]表明，在腹腔鏡半或Ⅷ段肝切除術(shù)中采用可變形的模型重合實現(xiàn)AR術(shù)中導(dǎo)航，可精確定位腫瘤，此外AR導(dǎo)航系統(tǒng)還發(fā)現(xiàn)2例腹腔鏡超聲無法顯示的微小腫瘤。相比腹腔鏡手術(shù)，機器人肝切除具有3D成像、多倍放大和顯著提高的靈活性等優(yōu)點，聯(lián)合AR術(shù)中導(dǎo)航更是如虎添翼。Pessaux等[30]在機器人肝切除術(shù)中使用AR的透明可視化功能行Trocar孔設(shè)置，每個Trocar孔均根據(jù)患者的解剖、變異和目標(biāo)病灶設(shè)置，爭取達到最合適操作平面，同時AR術(shù)中導(dǎo)航能夠協(xié)助在整個手術(shù)過程中準(zhǔn)確、安全地識別肝內(nèi)血管、膽管；研究中所有病例均未使用第一肝門阻斷，且均無圍手術(shù)期輸血。此后，Bari等[31]也報道了類似結(jié)果，AR術(shù)中導(dǎo)航在機器人的腔鏡視野中可以清晰顯示腫瘤的安全切緣，術(shù)前重建的三維模型的覆蓋也有助于在切肝過程中識別血管和膽管，最終所有病例的腫瘤切緣寬度均達到1 cm，且術(shù)后均無并發(fā)癥。

4 ICG分子熒光成像技術(shù)在肝癌術(shù)中的應(yīng)用

ICG作為一種理想、高效的成像介質(zhì)，利用其熒光特性，可以使癌組織與正常組織形成光強對比，以識別肝表面病灶，同時也能檢測到切緣殘留小病灶和靜脈癌栓，有利于降低術(shù)后腫瘤復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移的風(fēng)險[32]。Meta分析[33]顯示，與使用傳統(tǒng)手術(shù)方式的對照組相比，ICG分子影像技術(shù)組輸血率、術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率降低，切緣陰性率提高。三維可視化技術(shù)與ICG分子熒光成像技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于肝癌術(shù)前診斷和術(shù)中導(dǎo)航，可以真正實現(xiàn)解剖性、功能性和根治性肝切除術(shù)[34]。三維可視化技術(shù)提高ICG染色滿意度的優(yōu)勢主要是由于其可以清晰顯示肝內(nèi)脈管走向，有利于術(shù)者確定癌灶的累及范圍，直觀了解荷瘤肝段門靜脈的分布，也能更精準(zhǔn)地選擇計劃穿刺點，進而提高染色滿意度[35]。王曉穎等[36]利用三維可視化技術(shù)引導(dǎo)門靜脈穿刺ICG熒光染色，結(jié)合腹腔鏡超聲，共同完成腹腔鏡解剖性肝段切除術(shù)，有效提高了肝切除的安全性和精確性。方馳華教授團隊[37-38]結(jié)合AR技術(shù)，選擇肝上下腔靜脈窩和膽囊底部，同時結(jié)合肝邊緣形狀作為導(dǎo)航圖像配準(zhǔn)的標(biāo)記點，較好地改善了術(shù)中形變和氣變的問題，實現(xiàn)將三維可視化技術(shù)、ICG分子熒光成像技術(shù)和AR術(shù)中融合的精準(zhǔn)肝切除術(shù)。研究結(jié)果顯示，相比于對照組，導(dǎo)航組在減少手術(shù)出血量、降低術(shù)中輸血率和縮短術(shù)后住院天數(shù)方面具有明顯的優(yōu)勢。

5 三維可視化技術(shù)在肝移植中的應(yīng)用

肝移植是肝癌根治性治療手段之一，尤其適用于肝功能失代償、不適合手術(shù)切除及局部消融的早期肝癌患者。對于兒童肝移植，由于基礎(chǔ)供肝短缺以及大部分因病逝捐獻的供肝肝體對兒童受者而言相對較大，導(dǎo)致兒童肝移植等待時間較長，死亡風(fēng)險也相應(yīng)增加，因此，活體肝移植一直是兒童肝移植領(lǐng)域的重點研究方向。在活體肝移植中，對移植物的大小匹配以及對供受者肝血管解剖的精確評估是保證手術(shù)成功及供者安全的關(guān)鍵因素。研究[39]顯示，活體肝移植前應(yīng)用三維可視化技術(shù)行病肝體積計算、肝前后徑測量，結(jié)合供者肝臟三維重建情況綜合制訂供者移植物切取方案，能夠最大程度避免出現(xiàn)移植物受者不匹配問題。在活體肝移植中使用3D打印的物理模型來模擬供、受者手術(shù)，可以幫助術(shù)者掌握移植物的大小、厚度以及血管解剖，縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)成功率[40]。Mise等[17]提出在供體選擇上可根據(jù)3D成像信息進一步優(yōu)化，包括根據(jù)供體血管解剖變異進行相應(yīng)的靜脈重建，從而提高手術(shù)的安全性。三維可視化技術(shù)結(jié)合前述的ICG分子熒光成像技術(shù)，一方面可用于膽道成像，經(jīng)膽囊管斷端注射ICG，可獲得清晰的膽道解剖圖像，指導(dǎo)供者和受者的膽管-膽管吻合，以降低術(shù)后膽漏、膽管狹窄等并發(fā)癥發(fā)生率[41]；另一方面可用于評估重建后血管通暢性及移植肝肝功能的恢復(fù)情況，因ICG經(jīng)靜脈注射后可迅速與血漿蛋白結(jié)合而分布于全身血管，有助于評估重建后血管的通暢情況。肝移植術(shù)中經(jīng)外周靜脈注入ICG，術(shù)后如在肝外膽管檢測到ICG近紅外光影像，則表明移植肝肝細(xì)胞開始正常分泌膽汁[42]。

6 小結(jié)與展望

隨著數(shù)字智能化時代的發(fā)展，三維可視化技術(shù)在肝癌的診斷、治療方案的選擇、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航及肝移植等方面體現(xiàn)了無可比擬的優(yōu)越性。然而，三維可視化技術(shù)仍存在一定局限性，例如在一些復(fù)雜病例中，巨塊型肝癌常推擠、壓迫第二肝門，導(dǎo)致對應(yīng)的肝靜脈在薄層CT掃描時顯示不全，原始數(shù)據(jù)的缺失也將影響術(shù)前評估及術(shù)中導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。未來可在人工智能大數(shù)據(jù)的算法下，補全缺失數(shù)據(jù)，提示靜脈可能的走行路徑，實現(xiàn)精準(zhǔn)化、智能化肝切除。目前，AR術(shù)中實時導(dǎo)航的形變及氣變也是亟待解決的難點問題，未來有望通過增加配準(zhǔn)標(biāo)記點[25]、升級處理軟件[27,43]、術(shù)中聯(lián)合CT建模[44]等方式，進一步推動AR術(shù)中導(dǎo)航的應(yīng)用與發(fā)展。總而言之，以三維可視化技術(shù)為代表，聯(lián)合AR、ICG 分子熒光成像技術(shù)可實現(xiàn)多模式、相互驗證、互補不足的手術(shù)導(dǎo)航方式，將徹底改變傳統(tǒng)二維圖像指導(dǎo)下的手術(shù)方式，進一步推動肝膽外科個體化、微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化發(fā)展。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：陳昭碩負(fù)責(zé)文獻檢索，數(shù)據(jù)收集與整理，論文初稿撰寫；林科燦負(fù)責(zé)論文初稿撰寫，審閱與修訂；劉景豐負(fù)責(zé)擬定方向，論文審閱與修訂。