肝脏三维重建模型在外科研究生肝脏手术教学中的应用

刘文宇，王震，李刚

肝脏由肝实质和一系列管道结构组成，其脉管系统复杂，肝动脉、门静脉、肝胆管的各级分支组成的格利森（Glisson）系统和肝静脉系统将肝脏分成“五叶八段”，每个肝段为功能和解剖上的一个独立单位［1］。肝段解剖及肝内管道走行是医学生学习的难点。手术图谱、器官模具、尸体解剖、手术录像等传统教学方式虽然可以使医学生初步掌握肝脏解剖知识，但对于需进一步深入理解多种肝脏手术的研究生尚不足够。计算机辅助三维定量分析及模拟手术系统可精确定位肝脏肿瘤，计算残余的功能性肝脏体积，明确肿瘤邻近的血管解剖关系，最终辅助设计最优化的手术方案［2-3］。本研究以肝脏三维重建模型为基础，对外科研究生进行肝脏外科手术教学，取得了更佳的教学效果。现报道如下。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取2018 年2 月至2020 年6 月在海军军医大学第一附属医院肝胆外科进行轮转学习的外科研究生。纳入标准：（1）年龄超过22 岁；（2）自愿参与研究。排除标准：（1）中途因自身原因退出研究者；（2）既往接受过三维可视化及虚拟手术训练者。根据纳入标准和排除标准筛选出60 名外科研究生为研究对象，其中包含8 名肝胆外科研究生、18 名肝胆外科以外的普通外科研究生、34 名其他专业外科研究生，以学号为基础，采用系统随机化法将其平均分配至实验组和对照组，每组30 名，各包含4 名肝胆外科研究生、9 名肝胆外科以外的普通外科研究生和17 名其他专业外科研究生。实验组年龄为（25.3±2.1）岁，对照组年龄为（25.5±1.8）岁；2 组研究生在年龄、性别及日常成绩等方面比较差异均无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

1.2 建立样本库

收集2018-2019 年海军军医大学第一附属医院肝胆外科收治的肝脏肿瘤患者病历资料，包括患者的基本信息、结构化病历、术前重要化验报告、肝脏肿瘤的常规影像（CT、MRI）、肝脏三维重建影像、手术影像资料（手术录像、手术照片、标本照片）、手术记录、术后病理、术后并发症情况等。每位患者的临床资料分别归档。

1.3 教学实施

1.3.1 对照组的教学实施 以《系统解剖学》《局部解剖学》及《外科学》等教材对学生进行理论授课，利用CT、MRI 等影像学资料讲解肝脏的解剖结构、肝脏常见良性及恶性肿瘤的临床表现、诊断及鉴别诊断、治疗原则等。然后结合具体患者病情行病例分析，主要包括：患者的临床表现、实验室检查、诊断及鉴别诊断、手术方式的选择、术中及术后需要注意的要点等，教学的主要方式为PPT 授课、观看肝脏模型、肝脏手术视频以及手术参与。

1.3.2 实验组的教学实施 在对照组理论授课的基础上，进行CT、MRI 影像学资料的分析，在肝脏三维重建影像资料的基础上进行病例及影像学的分析讨论，具体内容包括肝脏形态、大小，肝脏的分叶分段，出入肝脏的脉管系统结构及解剖变异，肝脏占位的大小、位置，与重要管道之间的毗邻关系等，并应用该软件进行虚拟肝脏切除，通过不同角度观察肝脏断面走形以及需要离断或及保留的重要管道系统，最后结合手术录像对学生进行讲解。此外，将三维重建影像资料与CT、MRI 等二维影像资料进行对比分析，帮助学生由二维向三维构建心理图像。

1.4 评价体系

1.4.1 手术路径模拟测试 采用论述题试卷进行测试。从样本库中随机选择病例，要求学生对手术路径进行论述，其内容包括提出手术方案、术前准备内容、术中注意事项、术后并发症防治；详细论述手术过程，包括手术入路、切除范围、断肝技巧、血管处理（需指出重要血管的具体名称）、断面处理、放置引流等。总分100 分，由3 位肝胆外科导师进行审核评分，取平均分为最终成绩。

1.4.2 二维影像分析测试 从样本库中随机选择病例，学生CT 或/和MRI 读片后给出诊断、诊断影像学依据、鉴别诊断、肿瘤所在肝段、与重要血管的毗邻关系，并在肝脏模型教具上指出肿瘤所在的具体位置。由肝胆外科高年资主治医师进行考核，总分100 分。

1.4.3 调查问卷 内容包括是否有助于提高手术规划能力、是否有助于提高二维影像读片能力、是否有助于理解肝脏解剖、是否有助于激发学习兴趣、是否有助于提高学习效率、是否对教学方法满意等方面。

1.5 统计学处理

采用SPSS 16.0 统计软件进行数据分析。计量资料指标采用±s表示，组间比较采用t检验；计数资料采用百分比（%）表示，组间比较采用χ2检验。P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 实验组与对照组手术规划能力测试比较

培训前2 组手术规划能力考试成绩比较差异无统计学意义（P＞0.05）；培训后，实验组成绩明显高于对照组，差异有统计学意义（P=0.002）。见表1。

2.2 实验组与对照组影像分析能力测试比较

培训前，2 组影像分析能力考试成绩比较差异无统计学意义（P＞0.05）；培训后，实验组成绩明显高于对照组，差异有统计学意义（P=0.004）。见表1。

表1 实验组与对照组研究生培训前后成绩比较（分，± s）

表1 实验组与对照组研究生培训前后成绩比较（分，± s）

注：与同组培训前比较aP＜0.05；与培训后对照组比较bP＜0.05

组别实验组对照组例数30 30手术规划能力培训前73.45±3.70 73.51±3.01培训后82.85±4.05ab 79.87±2.82a影像分析能力培训前73.13±3.21 71.98±3.46培训后82.92±3.21ab 80.50±3.06a

2.3 培训后实验组各专业研究生之间成绩提升情况比较

进一步分析实验组各专业研究生之间成绩提升情况，计算每名研究生培训前后考试成绩差值，按研究生的不同专业进行比较。手术规划能力和影像分析能力方面，肝胆外科研究生成绩提升值高于另外2 种类型的研究生，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

表2 培训后实验组不同专业研究生成绩提升情况比较（分，± s）

表2 培训后实验组不同专业研究生成绩提升情况比较（分，± s）

注：与肝胆外科研究生比较aP＜0.05

组别肝胆外科除肝胆外科的普通外科外科其他专业影像分析能力15.58±1.57 9.78±4.24a 8.45±4.31a例数49 17手术规划能力16.25±4.76 8.14±5.72a 8.36±4.18a

2.4 问卷评价结果分析

调查问卷共发放60 份，收回60 份。结果表明，实验组研究生认为该教学法有助于提高手术规划能力、二维影像读片能力和理解肝脏解剖，能够激发学习兴趣，提高学习效率；而对照组学生认为知识难度较大，掌握困难，对所学知识缺乏立体直观感受，从而不利于对知识的掌握和理解。实验组研究生对教学方法的满意度明显高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表3。

表3 实验组与对照组研究生调查问卷结果比较［例（%），每组n=30］

3 讨论

临床解剖学和外科手术教学相结合是使医学生从理论走向实践的关键。肝脏外科更是如此，因为肝脏拥有多套脉管系统且解剖变异繁多，学生往往需要经历一个困难的过程才能在心中创建一个肝脏三维立体结构，且学习过程中通常需要借助解剖学教具，如器官模型、大体标本、血管铸型标本等。但是，临床学习的学生没有高年资医生的手术经验，很难将解剖知识与二维影像结合应用于临床实践中。分析原因后发现，这是因为肝脏是通过脉管的空间三维走形进行分叶分段的，而目前主流的教学方法是前期系统解剖和局部解剖的理论知识加上二维影像图谱（CT 图像或者MRI 图像）。经过多年的教学实践发现，这种方法不仅效率低下，而且由于学生没有丰富手术经验做基础，因此很难产生肝脏的三维立体概念。传统教学模具虽然能大致显示肝脏管道和分叶分段的立体结构，能够解决一些问题，但一方面教学模具较为昂贵，无法做到每个学生都能有充分的观摩时间；更主要的方面是，教学模具是一个大致的普通模型，只能大体表现肝脏的解剖学通性，不能反应每个患者的个体化解剖特点。此外，现代精准外科的理念除了要求肝脏外科医生全面掌握肝脏节段解剖、肝内管道走形外，更重要的是必须了解肝脏内部管道的走向，需具备良好的空间感，能够精确定位病灶所在肝脏部位，在牺牲最少的肝脏组织的情况下完整地切除肿瘤［4］。目前肝脏外科手术需要通过CT、MRI 定位病灶所在的节段及其与肝内血管的毗邻关系，评估所需切除的肝脏组织范围。然而CT、MRI 均为二维影像资料，即使上级医生通过手术录像向学生讲解手术过程，多数学生仍不能很好地理解肝内解剖，进而导致学生在学习肝脏手术时往往有较大挫败感，极大地减弱了学习的积极性。

三维可视化技术为破解这一难题提供了新的方法及思路，在计算机上运用三维可视化分析软件通过CT 或MRI 影像建立肝脏的三维立体影像，可以清晰地显示该患者肝脏的整体大小、形态、肝内主要管道的走形与分配区域、肝脏占位的大小、位置及与主要管道之间的空间位置关系等，而且可以通过透明化处理、筛选、隐藏等多种操作方法，单独显示各管道（静脉、动脉、胆管）的走形及其分支的分布情况，可以为肝脏外科医生提供详细的解剖资料，从而判断手术是否可行、决定切除的范围和手术进行的路径等［5］。如图1 所示，CT 和MRI 显示左肝肿瘤靠近第二肝门，与左肝静脉和中肝静脉关系密切，很难判断肿瘤与二者的准确关系，是否需要行左半肝切除，以及行左半肝切除的风险。图2 及图3 的三维重建结果显示：肿瘤与中肝静脉有明显距离，肿瘤压迫左肝静脉，但没有侵犯左肝静脉。同时，体积测量结果如图4 提示，左半肝体积超过整个肝脏50%，如果切除左半肝，风险较大。所以，临床团队很快得出治疗方案，行肿瘤完整剜除手术，术后行肝动脉灌注化疗。

图1 某肝脏肿瘤患者的常规影像学检查结果

图2 某患者左肝肿瘤与中肝静脉的关系示意图

图3 某患者左肝肿瘤与左肝静脉的关系示意图

图4 某患者左肝肿瘤与肝脏各部分体积精确测量结果

已有研究表明，三维可视化技术可帮助手术医师进行精准的术前规划，同时提高了手术效率及安全性［6］，而且也给肝脏外科手术教学水平的提升带来了更多的可能性［7-8］。此外，外科研究生经过肝胆外科轮转，具有一定的解剖学基础、CT 和MRI 读片经验和手术体会，为完成此次研究奠定了基础。三维可视化技术可以显示肿瘤的大小，定位肿瘤所在空间位置，显示肿瘤与血管的解剖关系，确定肝脏切除范围，明确切断与保留的血管，使得学生对手术方案更能理解［6］。另外，由于重建图像还可以让学生从各个方向对虚拟肝脏进行模拟切除，再对照观摩真实的手术操作，从而深入理解病灶的空间定位，提高临床诊断治疗能力，并初步培养手术方案的规划能力［9］。本研究发现，实验组研究生的手术规划能力及二维影像读片能力明显高于对照组。在此基础上，本研究创新性地将实验组研究生按不同专业进行区分，对比不同专业研究生群体之间的手术规划能力和影像分析能力的提升情况，结果发现肝胆外科专业的研究生对于应用肝脏三维重建技术教学更为敏感，其教学效果优于其他专业研究生。分析原因可能是因为肝胆外科专业的研究生平日接触和实践肝脏手术机会更多，结合肝脏三位重建技术可以更好地将其融会贯通，加速理解消化。值得注意的是，实验组全体同学均认为三维教学方法可以提高对肝脏解剖的理解。同时，运用三维教学方法也可以明显提高学生的学习效率及兴趣。同时，海军军医大学第一附属医院肝切除手术大多数都是腹腔镜或机器人微创完成，手术过程全程录像，为研究生验证自己的手术规划，对照术前术中肝脏解剖提供了极大便利。

但是也应认识到肝脏三维重建技术仍然存在一些不足［10］，如：三维可视化技术为原始CT 或者MRI 图像的二次加工，存在失真；三维可视化成像不能提高疾病诊断率；三维可视化成像技术要求高，目前多数医院无法开展，大多需要第三方技术公司实施，增加了费用［11］。二维影像（CT、MRI）、尸体解剖、手术实践仍是现阶段不可代替的教学手段。

综上所述，肝脏三维重建技术有助于学生掌握肝脏解剖，提高二维影像资料的读片能力，并能培养手术方案的规划能力，提高了学生的学习效率，降低了教学难度，是一种优秀的教学工具，但仍需结合传统教学工具才能使学生的肝脏外科知识体系更加全面。