智能肝脏手术：机遇与挑战

何其宽，叶志宇，陈晓岗

（宁波市第一医院 普外科，浙江 宁波 315000）

随着上世纪X线、CT检查等医学影像技术的引入[1]，使得在传统医学诊疗过程获得了大量的客观数据支持，这有助于普外科医生在肝脏手术过程中更好的区分病变组织与正常组织，尤其是在解剖肝脏脉管系统中显得更为重要。随着医学影像技术的不断发展，从常规CT到多层螺旋CT，其扫描速度和分辨率都得到了显著提升，而且CT图像数据还可用于三维重建和心血管造影成像[2-3]。然而，现代医学影像仍存在着一些局限性，例如人工数据分析的主观性，医疗人员的短缺，多学科交叉时医务人员知识储备的差异等。人工智能（artificial intelligence，AI），

是计算机系统理论的进一步发展[4]，通常能够执行人类智能需要的任务，将AI与医学影像结合不仅可以解决上述的局限性，更有助于掌握肝脏等脏器内部结构的复杂性与多变性。AI与传统医疗模式结合的数字化智能诊疗技术也将为肝脏手术发展起到巨大的推动作用，进一步促进了精准医疗在肝脏疾病中的运用。对于外科医生来说，如何掌握数字化诊疗技术并将其用于临床实践至关重要，本文介绍了相关的数字化医学智能诊疗技术。

1 三维可视化和虚拟模拟手术

Marescaux等[5]首次将三维可视化技术运用到肝脏解剖中，通过将传统二维影像学数据进行重建和分析，使外科医生可以立体、全面地观察病变的位置、形状和大小，可清楚显示肝门部解剖及变异和肝内胆管系统的扩张程度，以及肿瘤侵入血管可疑部位，从而更好地进行术前规划；并指导外科医生术中快速识别病灶，有效减少出血量，减小切除范围，保留一定体积功能性肝从而防止肝衰竭，缩短手术时间[6-8]。而且在活体肝移植中，三维重建结合虚拟模拟手术可以优化供体选择与静脉重建来平衡受体与供体之间的关系，从而提高移植成功率[9]。在三维可视化重建数据下，虚拟模拟手术过程，有助于减少右叶肝切除体积保留更多的肝脏，扩大了手术的适应证，更加直观地减少了患者内心的疑虑。

2 3D打印技术

虽然三维重建图像可以很好地显示肝脏血管、胆道系统与肝实质的三维关系，但二维计算机屏幕上呈现三维图像仍然缺乏真实性。同时，由于肝脏牵引和呼吸运动引起的形态变化极大的限制了三维图像技术在手术中的运用，因此高精度3D打印模型的出现可以成功克服这些困难。Zein等[10]在2013年首次通过3D打印技术打印出了半透明的肝脏模型。高精度3D打印模型可以更加直观地反映重要血管和胆道结构在肝脏中的空间关系，术中实时3D打印技术更有助于掌握肝脏病变的关键部位，缩短手术时间、降低术后并发症的发生。在肝肿瘤切除术中，可以将3D打印模型带入手术室，便于在最佳解剖位置进行调整，还可以将此模型置于无菌透明袋，并放置在手术区域与肝脏进行直观的比较。3D打印技术可帮助临床医生识别肝中叶肿瘤与小肝癌，进一步行根治性切除[11]。总之，3D打印技术实现了三维图像到三维物理模型的跨越，带来了更深入的信息和解剖结构的空间真实感。随着生物材料的发展，3D打印材料的成本将不断降低，有助于3D打印技术的普及。同时，利用生物3D打印技术可以构建具有生理功能的人造组织器官，这也为肝移植手术中供体短缺问题提供了解决思路[12]。

3 虚拟现实

三维重建图像处理技术和3D打印技术成功将肝脏二维图像数据转化到真实的物理模型。然而，将三维重建图像技术运用到实际操作过程仍然存在一定的难度，且这个阶段仍然存在着空间和时间的分离，导致手眼不协调。虚拟现实（virtual reality，VR）技术通过计算机模拟虚拟环境中的真实场景，在虚拟现实环境中，虚拟环境与解剖信息交互，为外科医生尤其是初学者提供逼真的三维学习环境，有助于掌握复杂的解剖结构，清楚了解门静脉、肝静脉和肝动脉之间的空间关系[13]。随着VR技术的进一步发展，增强VR技术和混合VR技术已广泛应用于医学领域。在肝脏手术中，增强VR技术利用CT和MR数据重建肝脏和肝内血管系统的三维图像，这些叠加的虚拟图像帮助外科医生将肝内结构具体化和可视化，从而提高手术效率改善手术效果[14]。在腹腔镜肝切除术中，视觉和触觉反馈对于准确评估复杂的肝内解剖结构至关重要。增强VR技术可以将三维视觉肝模型投射到手术区域，并在覆盖区域内实现准确的配置，这些叠加的虚拟图像有助于解决腹腔镜手术中手眼不协调的问题[15]。混合VR技术是在真实环境中呈现虚拟场景信息，并在现实世界、虚拟世界和用户之间建立交互式反馈以增强用户的现实体验。VR技术的应用为缩小三维重建模型与实际操作空间之间的差距提供了新的解决方案。它在术前计划、术中指导、外科教育和医患沟通等各方面具有明显的优势和广阔的应用前景[5，16]。

4 吲哚菁绿荧光成像技术

在肿瘤切除手术中，如何精确区分肿瘤与正常组织，从而实现最大化保留正常组织的肿瘤根治性切除一直是外科医生不断努力的目标。吲哚菁绿（indocyanine green，ICG）荧光染色检测技术现已广泛用于手术中肿瘤组织的辨别，ICG分子在红外线照射下可发出绿色荧光，在肝脏肿瘤组织中ICG大量聚集，可以显示肿瘤边界，门静脉引流区域的识别，实现术中实时定位作用[17]。ICG荧光染料可以在肝脏中停留较长一段时间，能够动态地观察整个手术过程，并且在肝脏切除过程中根据肝实质的荧光边界进行调整。根据标本的荧光形态，还可以初步区分肿瘤分化程度。低分化肝癌组织或转移癌组织在癌组织周围显示出圆形荧光；而中度分化的肝癌组织显示部分荧光信号；分化良好的肝癌组织显示出完整的荧光信号[18]。Satoul等[19]首次使用ICG荧光成像技术检测原发性肝癌的肝外转移病灶，以便识别和定位肝外转移，从而准确切除肿瘤转移病变组织实现无残留病灶。然而，ICG荧光技术也存在着一定局限性：当阻塞性黄疸，肝硬化和肝纤维化时会导致ICG排泄障碍，干扰肿瘤边界的判断；红外线穿透人体组织的能力有限（10 mm左右），当肿瘤位于肝脏深部时，需要结合术中超声来提高肝癌的检出率。总的来说，ICG荧光成像可以为外科医生提供实时反馈。随着临床实践和技术创新的进一步发展，ICG荧光成像技术将不断完善，为肝脏疾病的准确诊断和精确治疗提供了良好的应用前景。

5 手术导航技术

随着计算机技术和成像技术的发展，“导航”技术研究被扩展运用到手术当中，称为手术导航技术。随着各相关学科发展，多学科图像引导技术也在不断的发展，准确的手术导航可以更好地指导外科医生进行手术并提高手术的安全性[20]。导航技术是指在术前利用医学成像设备和计算机图像处理方法可视化患者的术前多模态图像数据，使外科医生在模拟操作期间匹配患者解剖结构，并且使用3D定位系统实时获取并显示手术器械在空间中的位置，从而实现术中对患者解剖的精确导航[21]。不同于整形外科与神经外科导航技术，腹部手术导航容易受到手术方式、肝脏形态变形与呼吸时膈肌运动的影响。而利用ICG荧光成像技术为肝脏手术提供实时解剖图像可以在确保准确性的同时实现实时导航。结合图像投影技术，将术前计划的三维图像投影到肝脏表面，准确识别解剖标记，实现实时三维导航。随着仪器设备的更新和技术的进步，腹腔镜肝切除术得到了迅速的推广和发展。增强VR技术和混合VR技术的加入使手术区域的解剖更清晰，为术中实时导航提供了另一种解决方案[22]。

6 展望

数字化医学是一门新兴的学科，将现代医学与数字化高科技技术相结合。它涵盖了许多学科：医学、计算机、数学、信息学等。然而，正如许多新技术一样，数字化诊疗技术仍然需要不断地改进与发展。其中3D可视化技术的局限性不容忽视，对于一些复杂的疾病，3D图像不能代替原始的二维图像数据，而且3D图像的构建依赖于人工分割与重组，如果操作者对解剖结构或病变程度理解不充分，在模型图像上反映的情况会与现实出现一定的出入。因此，要想实现疾病的综合评估，一方面，3D模型制造商需要丰富的临床经验；另一方面，在处理原始二维图像数据时，需要重复进行三维模型和二维数据的对比，尽量避免3D模型出现偏差[23]。为了规范3D可视化和3D打印技术的使用，中华医学会数字医学会就3D可视化技术进行复杂肝癌、肝门部胆管癌和肝内胆管结石手术达成了共识[24]。然而，根据专家共识，数字化医学在循证医学方面仍需要进行改进。作为临床指南的标准，数字化医学的随机对照试验鲜有报道，主要是由于此类试验的成本远远高于该技术运用时规避风险的费用。如何设计高质量的多中心随机对照试验数据，以评估数字医学对外科手术的影响也是一个重要的问题。随着现代化数字化信息技术的迅速发展，数字化医学突破了传统医学诊疗模式的局限性，可以预见数字成像技术将在未来显著改善肝脏手术预后。但是，数字医学仍旧存在一定的不确定性，临床疗效、成本效益等问题也引起了临床上的关注，而且其在临床实践中的应用也可能会引发相关的道德伦理纠纷。

7 结论

基于可视化图像技术，虚拟模拟手术和3D打印等三维重建术对肝脏病变的术前评估与手术计划的决策直接相关。通过影像学预测术后并发症及是否复发有助于提高手术的可控性，ICG分子荧光成像和腹部手术导航技术解决了传统手术中依靠肉眼直接观察或术前图像评估病变的局限性。虽然数字化智能医学诊疗技术集成了多学科技术，为临床疾病的诊断和治疗服务提供了很多便利，但在临床实践中仍有不足之处仍需要不断完善。未来，对成像技术、手术导航技术等的深入研究将为手术的进一步发展带来新的机遇。