方馳華 項 楠

(南方醫(yī)科大學(xué)附屬珠江醫(yī)院肝膽外科,廣州 510282)

黃志強院士指出,到了 20世紀(jì),傳統(tǒng)外科的手術(shù)技術(shù)已經(jīng)成熟,限制著外科發(fā)展的已不是手術(shù)技巧本身,而是圍繞著外科的“軟件”[1]。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)及微創(chuàng)外科的發(fā)展,數(shù)字化微創(chuàng)技術(shù)應(yīng)運而生,是指將三維重建、可視化仿真手術(shù)等數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)應(yīng)用于外科臨床工作,實現(xiàn)外科微創(chuàng)化。自 20世紀(jì)90年代起,綜合了計算機圖像處理與分析、真實感計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的醫(yī)學(xué)影像的三維可視化技術(shù)一直是國內(nèi)外研究與應(yīng)用的熱點,在近10年的時間里有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在術(shù)前疾病診斷、手術(shù)設(shè)計及教學(xué)和仿真手術(shù)訓(xùn)練等方面是數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。

國外數(shù)字虛擬人的研究計劃始于 1989年美國國立醫(yī)學(xué)圖書館(NLM)的“可視人計劃”(Visible Human Project,VHP),于 1994年和 1996年分別獲得了一男一女兩組包括 CT、MRI和切片圖像的數(shù)據(jù)集,拉開了數(shù)字醫(yī)學(xué)與人體解剖相結(jié)合的新紀(jì)元[2,3]。2000年韓國亞洲大學(xué)醫(yī)學(xué)院報道了可視韓國人計劃(Visible Korean Human,VKH)[4]。日本2001年啟動了為期 10年的人體測量國家數(shù)據(jù)庫建造計劃。現(xiàn)在國外已經(jīng)開發(fā)了新的計算機人體解剖模擬學(xué)習(xí)系統(tǒng),如華盛頓大學(xué)開發(fā)的數(shù)字解剖學(xué)家系統(tǒng),德國漢堡大學(xué)開發(fā)的交互式解剖學(xué)圖譜Voxel-Man[5],美國倫斯利爾理工大學(xué)建立的成年男子全身模型 VIP-Man[6]。

隨著計算機圖形技術(shù)及虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬手術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)工作也取得了很大的進(jìn)展。美國加利福尼亞 San Francisco大學(xué)外科系與伯克利學(xué)院的電子工程與計算機科學(xué)系合作進(jìn)行了虛擬腹腔手術(shù)的研究。在歐洲,法國國家信息和自動化研究所(INRIA)、德國國家信息技術(shù)研究中心(GMD)等研究機構(gòu)對虛擬手術(shù)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究[7]。從研究現(xiàn)狀來看,日本歐美等國家的研究起步較早,目前有些公司已經(jīng)著手開發(fā)成型的手術(shù)模擬系統(tǒng)[8]。

中國 2001年 11月在北京召開的香山科學(xué)會議第 174次學(xué)術(shù)討論會,開創(chuàng)了我國數(shù)字醫(yī)學(xué)研究的篇章。我國經(jīng)過 1年多的努力,首先完成了虛擬人體有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究任務(wù)。在鐘世鎮(zhèn)院士帶領(lǐng)下,第一軍醫(yī)大學(xué)、第三軍醫(yī)大學(xué)首先建立了中國數(shù)字化虛擬人女性Ⅰ號和中國數(shù)字化虛擬人男性Ⅰ號。目前,我國上海、重慶和廣州等地的解剖學(xué)專家們,已先后提供了 12套虛擬人切片數(shù)據(jù)的獲取工作,為后續(xù)的多學(xué)科研究發(fā)展提供了有中國人特點的數(shù)據(jù)集[9,10]。與國外研究情況相比,國內(nèi)關(guān)于虛擬手術(shù)方面的研究始于 20世紀(jì) 90年代,目前清華大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、中科院自動化研究所、中科院計算機所、南方醫(yī)科大學(xué)、華南師范大學(xué)等單位對虛擬手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究[11～14]。國內(nèi)近年也開始研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用可視化軟件,主要有中科院自動化研究所研發(fā)的 3D MED、復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院數(shù)字醫(yī)學(xué)研究中心研發(fā)的 3D重建及虛擬分割軟件以及南方醫(yī)科大學(xué)方馳華和華南師范大學(xué)鮑蘇蘇研究團隊研發(fā)的腹部醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)(Medical Image 3D Visualization System,MI-3DVS)等。

怎樣將數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)應(yīng)用于外科微創(chuàng)化,指導(dǎo)臨床工作,讓患者受益,是外科醫(yī)師需要面對的一個問題?！拔?chuàng)”一直是外科學(xué)追求的境界,但以往無法克服小切口與顯露不充分的矛盾。腹腔鏡技術(shù)引進(jìn)了一個新的概念:小入路、有限制地充分顯露。完善的外科需要手術(shù)野的完善顯露,并不是需要大切口。腹腔鏡解決了手術(shù)入路并不改變外科實質(zhì)。所以微創(chuàng)外科概念應(yīng)該并非只是限于腹腔鏡技術(shù),而應(yīng)有更廣闊的視野。外科學(xué)的發(fā)展總是離不開當(dāng)時的科技背景,在信息時代,傳統(tǒng)的外科操作可能被微創(chuàng)的、準(zhǔn)確的器械操作所代替。例如:當(dāng)前發(fā)展很快的虛擬技術(shù)和三維立體可視技術(shù),由計算機控制的機器人輔助手術(shù)比單純外科醫(yī)生實施的手術(shù)更為輕松和準(zhǔn)確,并且創(chuàng)傷小[1]。數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)指導(dǎo)下的外科微創(chuàng)化有著廣泛的應(yīng)用前景,其趨勢將是從“嘗試”到“廣泛使用”的發(fā)展。

在虛擬中國數(shù)字人的基礎(chǔ)上,我們利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)手段,將現(xiàn)代影像學(xué)、計算機圖像處理、肝臟解剖學(xué)和肝膽胰外科學(xué)相結(jié)合,進(jìn)行了一系列的跨學(xué)科和交叉學(xué)科的研究,先后建立了中國虛擬人數(shù)字化肝臟、胰腺模型、肝臟管道灌注后冰凍銑切數(shù)字化虛擬肝臟、肝臟管道灌注后薄層 CT掃描數(shù)字化肝臟、基于 64排螺旋 CT多期掃描數(shù)據(jù)的數(shù)字化虛擬肝臟等,并在這些虛擬數(shù)字化肝臟和胰腺的基礎(chǔ)上進(jìn)行了初步的虛擬仿真手術(shù)的研究與嘗試[12～14];目前已完成了對肝癌、肝血管瘤、肝移植、膽囊結(jié)石、肝膽管結(jié)石、胰頭癌等疾病手術(shù)過程的個體化可視化仿真手術(shù)[15～21],并逐步將可視化仿真手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于指導(dǎo)真實手術(shù)進(jìn)程。課題組首次開發(fā)完成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的腹部醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)(MI-3DVS),成功突破活人體腹部臟器亞毫米圖像數(shù)據(jù)獲取的瓶頸。并應(yīng)用該軟件對肝膽胰外科疾病進(jìn)行快速的三維重建、指導(dǎo)正確的診斷和術(shù)前進(jìn)行仿真手術(shù)、指導(dǎo)準(zhǔn)確的手術(shù)治療。在我國真正地實現(xiàn)了活人體個體化解剖數(shù)字化、診斷程序化和手術(shù)可視化。

在此基礎(chǔ)上,建立基于 MI-3DVS的數(shù)字化微創(chuàng)技術(shù)在肝膽胰外科疾病的臨床診療路徑,從而為類似疾病的術(shù)前診斷和外科治療提供一個有效的臨床工具,實現(xiàn)肝膽胰外科疾病的數(shù)字化微創(chuàng)化快速診斷和治療?，F(xiàn)將數(shù)字化微創(chuàng)技術(shù)在肝膽胰外科應(yīng)用的病例列舉一二。

病例 1:女,48歲,因反復(fù)上腹部疼痛 6月余入院,曾行 3次膽道手術(shù)。64排 CT檢查提示肝內(nèi)膽管多發(fā)結(jié)石,肝內(nèi)外膽管擴張(圖1)。將 CT獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入 MI-3DVS,對程序分割后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建,在Free Form Modeling System中對重建模型的各個部分進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、透明化等處理,并通過多角度觀察結(jié)石、膽管的形態(tài),明確結(jié)石分布范圍、數(shù)量、大小等形狀特點,膽管系統(tǒng)狹窄或畸形,肝內(nèi)血管走行特征以及肝實質(zhì)病變等情況。參照中華醫(yī)學(xué)會外科學(xué)分會膽道外科學(xué)組制定的《肝膽管結(jié)石診斷治療指南》,診斷為Ⅱ型肝膽管結(jié)石,結(jié)石分布于肝臟Ⅱ、Ⅲ段,左肝管開口狹窄,遠(yuǎn)端膽管呈囊狀擴張,膽總管遠(yuǎn)端可見膽腸吻合口(圖 2)。

根據(jù) CT提供的影像信息并結(jié)合病史,常規(guī)需行左半肝切除,切除狹窄段膽管,原膽腸吻合口切開取石或吻合口切除。但三維重建提示患者結(jié)石局限于肝臟Ⅱ、Ⅲ段,左肝管開口狹窄,狹窄段肝管周圍遠(yuǎn)離肝左動脈及門靜脈左支,可以通過狹窄肝管縱行切開整形,通暢引流。三維重建提示膽腸吻合口通暢,如經(jīng)肝斷面取盡結(jié)石,解除狹窄,可以保留原膽腸吻合口。以 MI-3DVS三維重建為指導(dǎo)成功進(jìn)行左肝外葉切除,狹窄膽管整形、支撐引流術(shù)(圖3)。手術(shù)過程與術(shù)前規(guī)劃一致,術(shù)后造影無結(jié)石殘留,無膽管狹窄,膽腸吻合口通暢(圖 4)。數(shù)字化微創(chuàng)技術(shù)應(yīng)用于該病例的治療,具有明顯的優(yōu)勢:①術(shù)中經(jīng)肝斷面膽管探查肝內(nèi)膽管及原膽腸吻合口無結(jié)石殘留,行狹窄膽管切開整形,保留原膽腸吻合口,減少術(shù)中不必要的探查,節(jié)約手術(shù)時間,減少出血及創(chuàng)傷;②手術(shù)切除左肝外葉,保留肝臟Ⅳ段,肝臟斷面及狹窄段膽管連續(xù) 3次活檢,確保無癌變,保留了更多的正常肝臟組織。

肝膽管結(jié)石疾病本身具有相當(dāng)大的復(fù)雜性,結(jié)石殘留、術(shù)后復(fù)發(fā)、膽管狹窄是影響徹底治愈的主要因素。目前肝膽管結(jié)石的診斷主要依靠 CT、MRCP和 ERCP,這些現(xiàn)代化的手段仍不能突破三維重建技術(shù)瓶頸問題。通過對 CT片的連續(xù)閱讀可確定患者肝膽管結(jié)石的簡單分布分型,卻無法直觀地明確膽道狹窄部位,需要有經(jīng)驗閱片者的思維再現(xiàn)。

怎樣把結(jié)石取盡,解除狹窄,通暢引流,保留更多的肝臟組織,實現(xiàn)肝膽管結(jié)石手術(shù)微創(chuàng)化,是肝臟外科醫(yī)師需要思考的問題。我們利用 MI-3DVS進(jìn)行 64排螺旋 CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建,對肝膽管結(jié)石分布及膽道擴張/狹窄進(jìn)行了大量的研究。MI-3DVS可完成真正意義上的膽道三維重建,在明確結(jié)石分布的位置,結(jié)石的形態(tài)、大小、數(shù)量之余,對膽管狹窄的空間位置及程度也有相當(dāng)準(zhǔn)確的顯示,并且其顯示方式更接近于手術(shù)的解剖位置,對肝膽管結(jié)石的分型診斷和手術(shù)指導(dǎo)具有重大意義。通過術(shù)前三維重建及仿真手術(shù)研究結(jié)果,結(jié)合術(shù)中探查所見,選擇個體化的手術(shù)方式及手術(shù)入路,并做了相應(yīng)的統(tǒng)計學(xué)分析,結(jié)果提示三維重建及仿真手術(shù)研究有利用縮短肝內(nèi)膽管結(jié)石手術(shù)時間,減少術(shù)中出血及術(shù)后結(jié)石的殘余率。與現(xiàn)代先進(jìn) CT相比較,使肝膽管結(jié)石殘石率從過去文獻(xiàn)報道 25% ～30.25%降低到 1.0%以下[20]。

病例 2:女,52歲,因反復(fù)上腹部隱痛 20余年,加重 1個月入院。64排 CT檢查提示胰腺頸部囊性占位病變,直徑約 3.5 cm,增強掃描無強化(圖 5)。MI-3DVS對程序分割后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建后,再利用 Free Form Modeling System進(jìn)行平滑、去噪,修整重建后的三維圖像立體感強,形態(tài)逼真,真實反映患者腹部臟器解剖結(jié)構(gòu)。通過不同組合方式可以同時顯示腹部肝臟、胰腺及其腫瘤,脾臟和雙腎等臟器,以及肝內(nèi)的動脈、靜脈、門靜脈分支,腹主動脈,下腔靜脈,腹腔動脈及其分支,肝外門靜脈系統(tǒng)及分支等血管系統(tǒng)。對重要解剖結(jié)構(gòu)可以通過兩兩顯示進(jìn)一步明確相互間的解剖關(guān)系,如通過肝臟透明度設(shè)置為零,隱去肝臟,可顯示胰腺及腫瘤與周圍血管的關(guān)系。為進(jìn)一步明確腫瘤與血管有無侵犯,還可隱去肝臟和不同程度透明化胰腺,僅觀察胰腺腫瘤與門靜脈系統(tǒng)或腹腔干動脈系統(tǒng),通過對三維模型進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等觀察,可以進(jìn)一步明確腫瘤與上述血管主干及其分支是否侵犯或壓迫等解剖關(guān)系。從而明確腫瘤能否切除,周圍血管能否保留,進(jìn)而確定手術(shù)方式。

通過上述三維可視化圖像的旋轉(zhuǎn)立體觀察,明確了患者胰腺腫瘤與周圍血管關(guān)系,主要是門靜脈及其分支腸系膜上靜脈和脾靜脈,腹腔干及其分支脾動脈等血管無侵犯及壓迫,腫瘤可以完整切除,設(shè)計了中段胰腺切除的手術(shù)方案(圖 6)。按照三維可視化結(jié)果指導(dǎo)術(shù)中解剖,順利施行了腹腔鏡下中段胰腺切除術(shù)(圖 7)。數(shù)字化微創(chuàng)技術(shù)應(yīng)用于該病例的術(shù)前診斷和手術(shù)規(guī)劃具有明顯的優(yōu)勢:①腫瘤體積較小,術(shù)前三維重建明確了腫瘤位于胰腺實質(zhì)內(nèi),與腸系膜上動、靜脈,脾動、靜脈等胰周血管均無侵犯,解剖清晰,采用腹腔鏡中段胰腺切除,使患者獲得了腹腔鏡手術(shù)的機會。②術(shù)前確定了術(shù)中需保留的胰腺周圍動脈和門靜脈系統(tǒng)分支,術(shù)中僅快速分離腸系膜血管和胰腺后壁間粘連,沿腫瘤包膜切除,而對其他部分未進(jìn)行大范圍的可切除性探查,不僅節(jié)約了手術(shù)時間,而且減少了術(shù)中出血和手術(shù)創(chuàng)傷。

術(shù)后免疫組化病理為潴留性囊腫,伴局部導(dǎo)管上皮乳頭狀增生?；颊咝g(shù)后無胰漏、消化道出血、腹腔感染及糖尿病等并發(fā)癥。

胰腺外科發(fā)展至今,許多方面的研究進(jìn)展落后于腹部其他臟器疾病的研究。究其原因主要是胰腺的解剖特殊、供血復(fù)雜。傳統(tǒng)的實質(zhì)臟器解剖學(xué)研究主要針對固定的尸體標(biāo)本,由于沒有進(jìn)行灌注,管道塌陷,柔軟的胰腺及臟腹膜本身的立體和空間構(gòu)象改變,所獲得的解剖信息與活體胰腺不符。在實際臨床工作中,由于手術(shù)前未能明確血管的走行和腫瘤的可切除性而在術(shù)中盲目探查,導(dǎo)致手術(shù)復(fù)雜化、風(fēng)險擴大化。因此,熟悉和掌握胰腺及周圍器官和結(jié)構(gòu)的解剖和毗鄰關(guān)系是提高手術(shù)技能和成功率的關(guān)鍵。此外,近 10年腹腔鏡在胰腺外科的治療中的應(yīng)用日益廣泛。與經(jīng)腹手術(shù)不同,腹腔鏡手術(shù)中醫(yī)師通過監(jiān)視屏幕的二維圖像,雙手操縱手術(shù)器械進(jìn)行手術(shù)。如果醫(yī)師缺乏通過屏幕的二維圖像獲得的有限信息了解整個解剖結(jié)構(gòu)的三維空間關(guān)系的經(jīng)驗,操作就容易失誤[22]。

現(xiàn)代影像學(xué)(螺旋 CT、MRI等)的發(fā)展,將胰腺解剖研究和腫瘤研究推向了一個新的階段。64層以上螺旋 CT能夠提供亞毫米級的影像信息,使得研究胰周血管的細(xì)小變異、大血管的精確形變和腫瘤的準(zhǔn)確可切除性評估成為可能?；?64層螺旋CT數(shù)據(jù)的 MI-3DVS三維重建技術(shù),可以清晰顯示胰腺血供,腫瘤與周圍臟器的關(guān)系,進(jìn)行準(zhǔn)確的可切除性評估,指導(dǎo)術(shù)前規(guī)劃和選擇正確的手術(shù)方案。與現(xiàn)代先進(jìn) CT相比較,胰腺腫瘤可切除率提高了10%[21]。

綜上所述,人體計算機三維重建及仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用起源于醫(yī)務(wù)人員對復(fù)雜的三維醫(yī)學(xué)解剖數(shù)據(jù)的可視化需求,在它的基礎(chǔ)上建立可供手術(shù)和手術(shù)前制定手術(shù)方案的三維立體仿真環(huán)境,在外科手術(shù)微創(chuàng)化方面具有令人鼓舞的應(yīng)用前景。

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