肝臟三維重建模型在外科研究生肝臟手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

劉文宇，王震，李剛

肝臟由肝實質(zhì)和一系列管道結(jié)構(gòu)組成，其脈管系統(tǒng)復(fù)雜，肝動脈、門靜脈、肝膽管的各級分支組成的格利森（Glisson）系統(tǒng)和肝靜脈系統(tǒng)將肝臟分成“五葉八段”，每個肝段為功能和解剖上的一個獨立單位［1］。肝段解剖及肝內(nèi)管道走行是醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)的難點。手術(shù)圖譜、器官模具、尸體解剖、手術(shù)錄像等傳統(tǒng)教學(xué)方式雖然可以使醫(yī)學(xué)生初步掌握肝臟解剖知識，但對于需進一步深入理解多種肝臟手術(shù)的研究生尚不足夠。計算機輔助三維定量分析及模擬手術(shù)系統(tǒng)可精確定位肝臟腫瘤，計算殘余的功能性肝臟體積，明確腫瘤鄰近的血管解剖關(guān)系，最終輔助設(shè)計最優(yōu)化的手術(shù)方案［2-3］。本研究以肝臟三維重建模型為基礎(chǔ)，對外科研究生進行肝臟外科手術(shù)教學(xué)，取得了更佳的教學(xué)效果?，F(xiàn)報道如下。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取2018 年2 月至2020 年6 月在海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院肝膽外科進行輪轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)的外科研究生。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）年齡超過22 歲；（2）自愿參與研究。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）中途因自身原因退出研究者；（2）既往接受過三維可視化及虛擬手術(shù)訓(xùn)練者。根據(jù)納入標(biāo)準(zhǔn)和排除標(biāo)準(zhǔn)篩選出60 名外科研究生為研究對象，其中包含8 名肝膽外科研究生、18 名肝膽外科以外的普通外科研究生、34 名其他專業(yè)外科研究生，以學(xué)號為基礎(chǔ)，采用系統(tǒng)隨機化法將其平均分配至實驗組和對照組，每組30 名，各包含4 名肝膽外科研究生、9 名肝膽外科以外的普通外科研究生和17 名其他專業(yè)外科研究生。實驗組年齡為（25.3±2.1）歲，對照組年齡為（25.5±1.8）歲；2 組研究生在年齡、性別及日常成績等方面比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。

1.2 建立樣本庫

收集2018-2019 年海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院肝膽外科收治的肝臟腫瘤患者病歷資料，包括患者的基本信息、結(jié)構(gòu)化病歷、術(shù)前重要化驗報告、肝臟腫瘤的常規(guī)影像（CT、MRI）、肝臟三維重建影像、手術(shù)影像資料（手術(shù)錄像、手術(shù)照片、標(biāo)本照片）、手術(shù)記錄、術(shù)后病理、術(shù)后并發(fā)癥情況等。每位患者的臨床資料分別歸檔。

1.3 教學(xué)實施

1.3.1 對照組的教學(xué)實施 以《系統(tǒng)解剖學(xué)》《局部解剖學(xué)》及《外科學(xué)》等教材對學(xué)生進行理論授課，利用CT、MRI 等影像學(xué)資料講解肝臟的解剖結(jié)構(gòu)、肝臟常見良性及惡性腫瘤的臨床表現(xiàn)、診斷及鑒別診斷、治療原則等。然后結(jié)合具體患者病情行病例分析，主要包括：患者的臨床表現(xiàn)、實驗室檢查、診斷及鑒別診斷、手術(shù)方式的選擇、術(shù)中及術(shù)后需要注意的要點等，教學(xué)的主要方式為PPT 授課、觀看肝臟模型、肝臟手術(shù)視頻以及手術(shù)參與。

1.3.2 實驗組的教學(xué)實施 在對照組理論授課的基礎(chǔ)上，進行CT、MRI 影像學(xué)資料的分析，在肝臟三維重建影像資料的基礎(chǔ)上進行病例及影像學(xué)的分析討論，具體內(nèi)容包括肝臟形態(tài)、大小，肝臟的分葉分段，出入肝臟的脈管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及解剖變異，肝臟占位的大小、位置，與重要管道之間的毗鄰關(guān)系等，并應(yīng)用該軟件進行虛擬肝臟切除，通過不同角度觀察肝臟斷面走形以及需要離斷或及保留的重要管道系統(tǒng)，最后結(jié)合手術(shù)錄像對學(xué)生進行講解。此外，將三維重建影像資料與CT、MRI 等二維影像資料進行對比分析，幫助學(xué)生由二維向三維構(gòu)建心理圖像。

1.4 評價體系

1.4.1 手術(shù)路徑模擬測試 采用論述題試卷進行測試。從樣本庫中隨機選擇病例，要求學(xué)生對手術(shù)路徑進行論述，其內(nèi)容包括提出手術(shù)方案、術(shù)前準(zhǔn)備內(nèi)容、術(shù)中注意事項、術(shù)后并發(fā)癥防治；詳細論述手術(shù)過程，包括手術(shù)入路、切除范圍、斷肝技巧、血管處理（需指出重要血管的具體名稱）、斷面處理、放置引流等?？偡?00 分，由3 位肝膽外科導(dǎo)師進行審核評分，取平均分為最終成績。

1.4.2 二維影像分析測試 從樣本庫中隨機選擇病例，學(xué)生CT 或/和MRI 讀片后給出診斷、診斷影像學(xué)依據(jù)、鑒別診斷、腫瘤所在肝段、與重要血管的毗鄰關(guān)系，并在肝臟模型教具上指出腫瘤所在的具體位置。由肝膽外科高年資主治醫(yī)師進行考核，總分100 分。

1.4.3 調(diào)查問卷 內(nèi)容包括是否有助于提高手術(shù)規(guī)劃能力、是否有助于提高二維影像讀片能力、是否有助于理解肝臟解剖、是否有助于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、是否有助于提高學(xué)習(xí)效率、是否對教學(xué)方法滿意等方面。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS 16.0 統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析。計量資料指標(biāo)采用±s表示，組間比較采用t檢驗；計數(shù)資料采用百分比（%）表示，組間比較采用χ2檢驗。P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 實驗組與對照組手術(shù)規(guī)劃能力測試比較

培訓(xùn)前2 組手術(shù)規(guī)劃能力考試成績比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；培訓(xùn)后，實驗組成績明顯高于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.002）。見表1。

2.2 實驗組與對照組影像分析能力測試比較

培訓(xùn)前，2 組影像分析能力考試成績比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；培訓(xùn)后，實驗組成績明顯高于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.004）。見表1。

表1 實驗組與對照組研究生培訓(xùn)前后成績比較（分，± s）

表1 實驗組與對照組研究生培訓(xùn)前后成績比較（分，± s）

注：與同組培訓(xùn)前比較aP＜0.05；與培訓(xùn)后對照組比較bP＜0.05

組別實驗組對照組例數(shù)30 30手術(shù)規(guī)劃能力培訓(xùn)前73.45±3.70 73.51±3.01培訓(xùn)后82.85±4.05ab 79.87±2.82a影像分析能力培訓(xùn)前73.13±3.21 71.98±3.46培訓(xùn)后82.92±3.21ab 80.50±3.06a

2.3 培訓(xùn)后實驗組各專業(yè)研究生之間成績提升情況比較

進一步分析實驗組各專業(yè)研究生之間成績提升情況，計算每名研究生培訓(xùn)前后考試成績差值，按研究生的不同專業(yè)進行比較。手術(shù)規(guī)劃能力和影像分析能力方面，肝膽外科研究生成績提升值高于另外2 種類型的研究生，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。見表2。

表2 培訓(xùn)后實驗組不同專業(yè)研究生成績提升情況比較（分，± s）

表2 培訓(xùn)后實驗組不同專業(yè)研究生成績提升情況比較（分，± s）

注：與肝膽外科研究生比較aP＜0.05

組別肝膽外科除肝膽外科的普通外科外科其他專業(yè)影像分析能力15.58±1.57 9.78±4.24a 8.45±4.31a例數(shù)49 17手術(shù)規(guī)劃能力16.25±4.76 8.14±5.72a 8.36±4.18a

2.4 問卷評價結(jié)果分析

調(diào)查問卷共發(fā)放60 份，收回60 份。結(jié)果表明，實驗組研究生認為該教學(xué)法有助于提高手術(shù)規(guī)劃能力、二維影像讀片能力和理解肝臟解剖，能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率；而對照組學(xué)生認為知識難度較大，掌握困難，對所學(xué)知識缺乏立體直觀感受，從而不利于對知識的掌握和理解。實驗組研究生對教學(xué)方法的滿意度明顯高于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。見表3。

表3 實驗組與對照組研究生調(diào)查問卷結(jié)果比較［例（%），每組n=30］

3 討論

臨床解剖學(xué)和外科手術(shù)教學(xué)相結(jié)合是使醫(yī)學(xué)生從理論走向?qū)嵺`的關(guān)鍵。肝臟外科更是如此，因為肝臟擁有多套脈管系統(tǒng)且解剖變異繁多，學(xué)生往往需要經(jīng)歷一個困難的過程才能在心中創(chuàng)建一個肝臟三維立體結(jié)構(gòu)，且學(xué)習(xí)過程中通常需要借助解剖學(xué)教具，如器官模型、大體標(biāo)本、血管鑄型標(biāo)本等。但是，臨床學(xué)習(xí)的學(xué)生沒有高年資醫(yī)生的手術(shù)經(jīng)驗，很難將解剖知識與二維影像結(jié)合應(yīng)用于臨床實踐中。分析原因后發(fā)現(xiàn)，這是因為肝臟是通過脈管的空間三維走形進行分葉分段的，而目前主流的教學(xué)方法是前期系統(tǒng)解剖和局部解剖的理論知識加上二維影像圖譜（CT 圖像或者MRI 圖像）。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，這種方法不僅效率低下，而且由于學(xué)生沒有豐富手術(shù)經(jīng)驗做基礎(chǔ)，因此很難產(chǎn)生肝臟的三維立體概念。傳統(tǒng)教學(xué)模具雖然能大致顯示肝臟管道和分葉分段的立體結(jié)構(gòu)，能夠解決一些問題，但一方面教學(xué)模具較為昂貴，無法做到每個學(xué)生都能有充分的觀摩時間；更主要的方面是，教學(xué)模具是一個大致的普通模型，只能大體表現(xiàn)肝臟的解剖學(xué)通性，不能反應(yīng)每個患者的個體化解剖特點。此外，現(xiàn)代精準(zhǔn)外科的理念除了要求肝臟外科醫(yī)生全面掌握肝臟節(jié)段解剖、肝內(nèi)管道走形外，更重要的是必須了解肝臟內(nèi)部管道的走向，需具備良好的空間感，能夠精確定位病灶所在肝臟部位，在犧牲最少的肝臟組織的情況下完整地切除腫瘤［4］。目前肝臟外科手術(shù)需要通過CT、MRI 定位病灶所在的節(jié)段及其與肝內(nèi)血管的毗鄰關(guān)系，評估所需切除的肝臟組織范圍。然而CT、MRI 均為二維影像資料，即使上級醫(yī)生通過手術(shù)錄像向?qū)W生講解手術(shù)過程，多數(shù)學(xué)生仍不能很好地理解肝內(nèi)解剖，進而導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)肝臟手術(shù)時往往有較大挫敗感，極大地減弱了學(xué)習(xí)的積極性。

三維可視化技術(shù)為破解這一難題提供了新的方法及思路，在計算機上運用三維可視化分析軟件通過CT 或MRI 影像建立肝臟的三維立體影像，可以清晰地顯示該患者肝臟的整體大小、形態(tài)、肝內(nèi)主要管道的走形與分配區(qū)域、肝臟占位的大小、位置及與主要管道之間的空間位置關(guān)系等，而且可以通過透明化處理、篩選、隱藏等多種操作方法，單獨顯示各管道（靜脈、動脈、膽管）的走形及其分支的分布情況，可以為肝臟外科醫(yī)生提供詳細的解剖資料，從而判斷手術(shù)是否可行、決定切除的范圍和手術(shù)進行的路徑等［5］。如圖1 所示，CT 和MRI 顯示左肝腫瘤靠近第二肝門，與左肝靜脈和中肝靜脈關(guān)系密切，很難判斷腫瘤與二者的準(zhǔn)確關(guān)系，是否需要行左半肝切除，以及行左半肝切除的風(fēng)險。圖2 及圖3 的三維重建結(jié)果顯示：腫瘤與中肝靜脈有明顯距離，腫瘤壓迫左肝靜脈，但沒有侵犯左肝靜脈。同時，體積測量結(jié)果如圖4 提示，左半肝體積超過整個肝臟50%，如果切除左半肝，風(fēng)險較大。所以，臨床團隊很快得出治療方案，行腫瘤完整剜除手術(shù)，術(shù)后行肝動脈灌注化療。

圖1 某肝臟腫瘤患者的常規(guī)影像學(xué)檢查結(jié)果

圖2 某患者左肝腫瘤與中肝靜脈的關(guān)系示意圖

圖3 某患者左肝腫瘤與左肝靜脈的關(guān)系示意圖

圖4 某患者左肝腫瘤與肝臟各部分體積精確測量結(jié)果

已有研究表明，三維可視化技術(shù)可幫助手術(shù)醫(yī)師進行精準(zhǔn)的術(shù)前規(guī)劃，同時提高了手術(shù)效率及安全性［6］，而且也給肝臟外科手術(shù)教學(xué)水平的提升帶來了更多的可能性［7-8］。此外，外科研究生經(jīng)過肝膽外科輪轉(zhuǎn)，具有一定的解剖學(xué)基礎(chǔ)、CT 和MRI 讀片經(jīng)驗和手術(shù)體會，為完成此次研究奠定了基礎(chǔ)。三維可視化技術(shù)可以顯示腫瘤的大小，定位腫瘤所在空間位置，顯示腫瘤與血管的解剖關(guān)系，確定肝臟切除范圍，明確切斷與保留的血管，使得學(xué)生對手術(shù)方案更能理解［6］。另外，由于重建圖像還可以讓學(xué)生從各個方向?qū)μ摂M肝臟進行模擬切除，再對照觀摩真實的手術(shù)操作，從而深入理解病灶的空間定位，提高臨床診斷治療能力，并初步培養(yǎng)手術(shù)方案的規(guī)劃能力［9］。本研究發(fā)現(xiàn)，實驗組研究生的手術(shù)規(guī)劃能力及二維影像讀片能力明顯高于對照組。在此基礎(chǔ)上，本研究創(chuàng)新性地將實驗組研究生按不同專業(yè)進行區(qū)分，對比不同專業(yè)研究生群體之間的手術(shù)規(guī)劃能力和影像分析能力的提升情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肝膽外科專業(yè)的研究生對于應(yīng)用肝臟三維重建技術(shù)教學(xué)更為敏感，其教學(xué)效果優(yōu)于其他專業(yè)研究生。分析原因可能是因為肝膽外科專業(yè)的研究生平日接觸和實踐肝臟手術(shù)機會更多，結(jié)合肝臟三位重建技術(shù)可以更好地將其融會貫通，加速理解消化。值得注意的是，實驗組全體同學(xué)均認為三維教學(xué)方法可以提高對肝臟解剖的理解。同時，運用三維教學(xué)方法也可以明顯提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率及興趣。同時，海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院肝切除手術(shù)大多數(shù)都是腹腔鏡或機器人微創(chuàng)完成，手術(shù)過程全程錄像，為研究生驗證自己的手術(shù)規(guī)劃，對照術(shù)前術(shù)中肝臟解剖提供了極大便利。

但是也應(yīng)認識到肝臟三維重建技術(shù)仍然存在一些不足［10］，如：三維可視化技術(shù)為原始CT 或者MRI 圖像的二次加工，存在失真；三維可視化成像不能提高疾病診斷率；三維可視化成像技術(shù)要求高，目前多數(shù)醫(yī)院無法開展，大多需要第三方技術(shù)公司實施，增加了費用［11］。二維影像（CT、MRI）、尸體解剖、手術(shù)實踐仍是現(xiàn)階段不可代替的教學(xué)手段。

綜上所述，肝臟三維重建技術(shù)有助于學(xué)生掌握肝臟解剖，提高二維影像資料的讀片能力，并能培養(yǎng)手術(shù)方案的規(guī)劃能力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，降低了教學(xué)難度，是一種優(yōu)秀的教學(xué)工具，但仍需結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)工具才能使學(xué)生的肝臟外科知識體系更加全面。