肝内胆管虚拟手术可视化模型构建与仿真研究进展

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(第三军医大学：1.学员旅七营；2.基础部人体解剖学教研室，重庆 400038)

肝脏是人体内最大的实质性器官，对其进行复杂手术操作的风险具有不可预见性，因为肝内胆管系统纷繁交错，胆管管径细小，分支分布不规则且变异多，临床缺乏肝内胆管手术切除的“金标准”可供参照，且不同的患者存在个体差异。但是如果准确掌握肝内胆管立体构象并能够精确设计手术路径以避免术中胆管破裂和肝内出血，那么就能极大地提高手术成功率。在数字图像处理技术、虚拟仿真应用迅速发展的背景下，可视化人体数据集的建立使得在计算机上构建肝内管道系统三维数字模型、实现肝内胆管虚拟手术仿真成为可能。目前，如果采用中国数字化可视人体数据集和临床CT、MRI等影像资料对肝内胆管系统进行三维可视化处理，利用三维可视化图像研究肝内胆管的立体结构特征并有针对性地设计肝脏手术切除路径，利用计算机构建肝脏虚拟手术仿真平台的研究，那么这些研究结果对于建立肝脏外科虚拟手术模拟系统、实现肝内管道系统三维数字化模型,具有非常重要的基础理论意义和临床应用价值。

1 肝内胆管虚拟手术可视化模型的意义

由于肝内胆管分支分布复杂，患者存在个体差异且缺乏临床肝内胆管手术切除的“金标准”可供参照，因此，有效地展示肝内胆管病变部位的立体解剖构象与其毗邻的结构对于肝内胆管的手术实施具有重要的临床意义。目前，肝内胆管的手术方式主要有：活体肝移植术(1iving donor liver transplantation，LDLT)和肝脏部分切除术。活体肝移植在数量上虽已达到一定的规模，但在操作过程中仍具有较大的手术风险[1-2]。肝脏部分切除术在解除胆管狭窄的同时清除了病灶，其对肝内胆管肿瘤及肝内胆管结石的治疗有相当的效果，但复杂的肝内管道系统增加了手术操作的难度。周泉波等[3]在2012年报道了80例肝内胆管细胞癌患者在经过手术治疗后普遍存活率低下。此外，由于存在肝内胆管的个体差异且缺乏手术切除的“金标准”，这对于复杂的肝内胆管手术的操作具有不可预见性，因此在术前给临床医师提供能进行手术方案制定和模拟的肝内胆管三维解剖可视化模型是迫切需要的。

利用数字医学的虚拟现实技术技术能有效显示肝内管道与病灶及其毗邻关系的三维解剖结构关系，解决肝内胆管系统解剖结构复杂且密集的问题，能针对肝胆外科手术切除治疗中的难点，利用其立体构象特征设计手术路径，因此其具有重要的临床指导意义[4-5]。以影像学数据为基础的三维重建可视化技术发展十分迅速，尽管其弥补了二维图像的空间感的不足，对计算机辅助肝内胆管手术起到了一定的指导作用，但还未涉及肝内胆管系统三维数据的测量。在利用虚拟手术器械进行术前模拟和手术仿真还未见报道[6-7]。因此，针对活体肝脏移植需求及肝内胆管手术特点构建肝内胆管虚拟手术模型和仿真系统，在准确显示肝内胆管立体构象三维数据的同时，根据病灶实际情况与其毗邻结构设计合理的个体化肝脏虚拟手术方案，其具有准确的手术定位优势和广泛的临床应用价值，而准确把握肝内管道的立体解剖结构与病灶及其毗邻关系，正确选择手术路径为肝内胆管手术的顺利实施提供了有力的保证，通过虚拟现实的方式构建一个实时的三维操作环境，构建肝内胆管虚拟手术模型，通过模拟肝内胆管手术过程并不断地完善方案以实现手术操作的安全、有效。本研究拟采用数字化可视人体技术手段，结合虚拟现实技术来建立肝内胆管虚拟手术可视化模型，准确描述肝内胆管立体构象和其毗邻结构，并获取三维结构参数来模拟肝内胆管的虚拟切除，为肝内胆管手术模拟治疗系统的研究和肝脏数字解剖学的深入提供技术手段，其具有重要的基础理论意义和临床应用价值。

2 国内外现状与进展

随着图形处理技术、计算机三维成像技术和虚拟现实(Virtual Reality, VR)等现代信息学技术的发展，数字化可视人体已经进入了医学研究的前沿领域。在影像诊断、介入治疗和计算机辅助肝脏外科等临床诊疗中，利用对人体结构信息的真实再现，重建人体结构形态的三维模型，具有直观、形象的特点，为数字医学现代化的发展提供了可能[8-9]。目前，医学图像可视化软件和硬件设备等方面已取得较大进展，比如美国宾州大学的3D Viewnix系统，德国汉堡大学的Voxel-Man系统等，由于是基于UNIX系统进行开发，在SGI工作站上运行对人体数据相当集中的部分腹腔脏器结构进行分割、识别和可视化显示，因此数据的处理量有限，交互性较欠缺；随着计算机辅助肝脏虚拟外科手术基础研究的开展，Lang等[10]报道，通过MRI图像数据和CT开发肝脏外科三维操作训练和手术模拟系统，使能够在虚拟的手术环境下进行肝脏手术的各种模拟操作，量化肝脏手术计划、综合分析并预测术后的可能，但是在实际手术过程中仍存在着譬如图像呈现不清晰、结构关系不明确等诸多问题[11]。随可视化人体数据集的开发和应用，Park等[12]在2006年报道他们运用半自动分割法在SGI工作站上将肝脏的轮廓进行了呈现，并且已完成肝内管道系统的三维影像重建，对临床诊疗精确、准确提供了保障。2004年美国FDA (Food and Drug Administration 食品及药物管理局)将血管内模拟治疗系统(Vascular interventional simulting treatment system, VIST) 列为介入培训标准领域，成为国际各大介入协会培训课程之一，该项目是由介入医师和仿真学工程师合作进行的，是研究外科模拟的一个良好开端，其特点是拥有反馈功能模拟器、接近真实的模拟环境，而这些都是临床诊疗所必需的。由于需要强大的计算机工作站、复杂的软件系统、昂贵的设备和经费投入，诸多因素导致可视化技术应用于肝内管道模拟训练的研究目前尚未开展[13]。2009年1月医学模拟系统Simbionix首席科学家Gary Zamler发布了两款用作培训目的的手术活检模拟器：新型血管内介入培训模块，其可在模拟环境下处理血管内并发症，心率管理模块(Cardiac Rhythm Management)可实现心脏起搏器和去纤颤器的虚拟置入而脑介入模块(Cerebral Intervention)则具有完整的神经血管和双平面 X-射线系统作为训练弹簧圈和支架置入的理想平台。日前，Simbionix USA Corporation宣布，该公司已经发布了ANGIO Mentor?血管内模拟器多种培训模式，能在模拟环境中提供血管内手术的实际操作体验，为肝胆管道手术提供了解决方案。但还未见有肝脏管道内介入培训模块开发的报道。

近年来，计算机辅助系统在外科虚拟手术模拟中有所进展。谢叻[14]于2004年报道了利用虚拟现实技术在耳道内进行显微手术的初步应用，但其目的仅仅是三维重建耳道结构，对临床诊疗的辅助效果不甚明显；方驰华[15]于2007年报道了在对14例游离肝脏灌注后并进行CT扫描，利用VTK数据开发包对肝脏静脉和肝脏外形进行了三维重建，给手术操作提供了数据支持。朱光源[16]于2012年报道了利用CT对20例肝内胆道细胞癌患者的诊断，指明了动态扫描具有强针对性。国内肝脏管道系统可视化研究有数据采集方便，来源广泛，重建迅速等优点，但图像是灰度影像，清晰度较低，结果显示不完全，且层间距较厚，对临床实际操作的辅助作用不明显。目前，医学信息学的发展需要提供尽可能详细、完整的多维数据以满足现代临床医学的需要，这给实现肝脏管道解剖结构的三维可视化研究提供了广阔的应用空间，而现有的虚拟现实技术和计算机辅助手术系统等可视化研究多集中在人体颅脑部和躯干等部位，利用患者CT、MRI影像数据、数字化人体数据集完成了虚拟脑血管介入手术、虚拟腰椎穿刺手术和虚拟胃肠镜等手术，但尚未结合VR技术、机械力反馈技术和特殊设备(3D眼镜、头盔显示器等)，没有体现 VR技术的重要特征，如多感知性、临场感等，并且其为通过鼠标和键盘来进行操作的，由于操作过程较简单，交互性能还较欠缺，易受医生主观、非技术因素的影响，应用于肝脏临床方面的研究鲜有报道[17-18]。

3 总结

目前，在影像等设备的介导下, 主要依靠临床医师技能和经验来实施的活体肝脏移植、肝脏肿瘤切除术的操作，存在因个人因素、影像不清晰、结构不明确等影响的缺陷，手术实施的准确性和有效性受到相当程度的干扰。现阶段虚拟现实和手术仿真研究亟待解决的重要问题是构建肝脏虚拟手术模型来指导临床操作进而提高手术的成功率[19]。在加强计算机三维重建和可视化研究、三维重建软件对连续的二维断层图像的特定结构进行智能识别的基础上，提供一套适合肝内胆管切除的肝脏管道系统数字模型进行手术仿真探索将是亟待解决的，目前该领域基于临床应用的基础研究还未见报道。由于在人体肝内胆管系统的可视化研究方面还存在很多未知的领域，应用数字化可视人体数据集与临床CT、MRI影像资料相结合，建立肝脏管道系统三维模型[20]，通过手术模拟研究虚拟手术系统中力反馈设备的工作原理和关键技术，构建基于计算机辅助的肝内胆管虚拟手术仿真系统，将对肝内胆管手术治疗的基础研究具有重要的理论意义和应用价值。

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