数字虚拟肝脏在肝脏外科中的应用

【 关键词 】 肝脏 ； 虚拟 ； 外科

【 中图分类号 】 R   5 7 5   【 文献标识码】 C   【 文章编号 】 1 0 0 6 - 4 7 6 1 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 0 0 7 6 - 0 3

1   引 言

在传统 的肝脏外科疾病诊疗过程 中， 医生多是依照患者二维的影像 学资料( B超 、 C T或 M R I ) ， 凭借 经典的 C o u i n a u d肝 段划 分方法或 五叶四段法等了解患 者病情 ， 掌握 目标手术区域解 剖关 系 ， 而制定手 术方案 ， 由于 缺乏对 患者个体 的详尽 解剖认知使得诊治仍存 在不足[1] 。随着 电子计算机技术 、影像学检查技术的进步 ， 人体结 构 的虚 拟化 、 数字化 成为 可能 ， 这为 医学 的研究与应用提供 了全新的技术手段 [2]。数字虚拟肝脏[3]为肝脏外科存在 的问题 的解决提供 了一个方 向 ，为肝脏外科的发展提供 了一个新 的平 台。数 字虚拟 肝脏 逐步运用于解剖研究 、 术前规划 、 虚拟手术与教学等领域。

2 数字虚拟肝脏模型 与解剖研究 中的应用

数字虚拟肝脏是在二维 影像学 资料或 人体薄层 切片 的基础上 ， 通过三维重组 软件 和工 具分析 ， 重组 形成 虚拟 的肝脏三维图像 。依据其影像数据来源大 致分 以下 3 类 ： 1 利用计算机图像设计程序人工绘制而成 的 ； 2 利用可 视化人 体数据集肝脏部分数据进行 计算 机重建 获得 的 ； 3 利 用 C T 、 M R I数据进行 图像后处理 、 计算机三维重建获得 的。第一种模 型一般是计算机绘 图人员 根据既有 的解剖 理论及实 体模 型利用计算机绘图工具设计而来 ， 实 际应 用性较差 。第二 种模型影像数据一般采集于尸体灌注后标本薄层铣切的断面 图像 ，其源于 1 9 8 9 年美 国发起 的“ 可视人 计划 ” 。2 0 0 1年我 国开始 了“ 中国数 字化 虚拟人 体 的科 技 问题” 的研究 ， 2 0 0 2年第三军 医大学完成 中国男女首套数字化可视人体数据采集[4]。随后用于研究人体脏器功能 、 解 剖结构 的虚拟脏器模 型研制也得到开展 。2 0 0 1 年 H o h n e 等[5]初步总结提 出了利用 可视化人体数据建立人体 内部器官模型 的方法 ， 随即各 种数字化脏 器模 型相继建 立 ， 2 0 0 9 年 S h i n 等[6]利 用韩 国数字人体数据重建 了肝脏表面模 型 ， 而陈刚等[7]在 2 0 1 0年等 建立 起我国的数字虚拟肝脏模型 。第三种模型是通过利用 C T或 M R I等二维 图像数据进 行图像后 处理重建 而获得 的。其关 键环节在 于计算机 图像 处理 与重建技术 。由于此模 型数 据来源于个体患者 自 身影像学资料 ， 在临床诊断与治疗应 用 中具有个体 化意义 ， 实际应用性 较强[8]， 已有报 道证实相 比二维影像数 据三维图像模 型能更清 楚 的反 映患者 的复杂 的肝 内解剖关 系[9]。后两类模型 已广泛应 用于解剖 研究 。肝 脏 的解剖具有显著 的个 体差 异性 ， 利用 数字人 体数 据及 ( 或 ) 患者二 维影像 资料 获得 的数字 虚拟肝脏有 助 了解 患者个 体 的解剖结构 、 变 异 特 点 等 个 体 化 资料 。徐 贵 平 等[10]训报 道 利用M y r i a n 虚拟手术刀 自 动划分肝段 ， 其获得的肝段切割平 面不是 简单 的平 面而是呈不规则波 浪状 ， 且其符合肝 内管道灌 注引流分 布 ， 这与早期 F a s e l 等[11]研究 获得 的 c T横 断面划 分肝 段准确性 较差 的结果形 成 了明确对 比。肝 内脉 管系统走行 复杂 ， 且变异情况多种 ， 针对肝 内脉管 系统进行 三维重建 ，利 用立 体 的 脉 管 系 统 模 型 进 行 解 剖 分 析 以指 导 临 床 治疗[12.13]在 肝脏外科 已得 到广泛开展 。数 字虚拟 肝脏模 型还可应用 于肝 脏 灌 注分 布研 究 与 肝脏 容 积 的 计 算 。S a s c h a等[14]的研究指出计算机肝脏模型的重建与灌 注研究在 肝容积计算 上相 比传统的计算 方法有着一定优势”[15]。

3 数字虚拟肝脏模型在术前规划与虚拟手术 中的应用

肝 肿瘤患者肝脏 解剖结构及肝 功能多 已处于受损状 态 ，不恰当的手术治 疗导 致剩余 肝 组织 功能 异常 ， 甚 至 功能 衰竭[16] 。而这是 肝切 除 术后 主 要 的 并发 症 和 死亡 原 因 [17]。应用数字虚拟肝脏可 以容易地分辨 出患者肝脏的组织结 构 、解剖特点 ， 从 而可 以更 便捷 的 、 准确 的完成病 变位 置解 剖定位 、 切除范 围 、 切 割平 面等 术前 规划 。B e r na r d等[18]通过 一项 回顾性研究对利 用 3 D模 型 重建 测定肝 容 积 的技 术 的准确性进行了评价 ， 其结论证 明肝脏模拟技术在肝容 积评 定方面相对于传统 的影像分 析其精确 性更 高。H a u k e 等[19]在一项前瞻 陛队列研究 中对 2 5 例肝肿瘤患者 的肝容积切 除量分别利用二维影像资料及计算机辅助 图形分析工具进行估 算 ，两者分别评估 肝容 积 的差异 性显示 后 者拥 有更 大 的优 势。S a i t o 等[20]运 用 3 D肝脏模 拟技术 ， 通 过对 门静 脉灌注 面积连续 的计算分析 ， 显示 了所选 目标病 灶 的整 体边 界和范 围 ，也就是通过 3 D虚 拟肝脏 技术 找到 病变 部位 的 主要供 应血管 。“ 精 准肝切 除”[21] 是 现代肝脏 外科 的新 理念 ， 其倡 导 以患者 的最佳预后 为 目标 ， 彻 底切 除 目标病灶 ， 最 大 限度 减少肝组织损伤 和出血 ， 确 保剩余 肝 脏结 构 的完整 和 功能 的代偿 。数字虚拟肝 脏 的产 生为精 准肝 切 除 提供 了技 术 支持 。T a k a h a s h i[2 2 ]  等对一名肝 门部胆管 癌患 者肝静 脉行 3 D虚 拟建模并行肝 容积 虚拟分析 ， 制定 了合理手 术计 划 ， 避 免 了 由术后残余肝组织 淤血 引起 的肝损伤 。E n d o 等[16]钊利用 3 D图像模 型对 2 0名肝门部胆管 癌患者行 了前 规划 ， 并将 其结 果与手术 实际结果进行 对 比， 提示 利用 3 D虚拟模 型进行术 前规划具 有现实应用价值 ， 其 提高了肿瘤的有效切除率 。数 字虚拟肝脏模 型具 有交互性 的特点 ， 在其 上可进行测量 、 分割 、切除等虚拟操作 ， 其进一步与力反馈 系统相结合达到模拟实际操作 的视 觉与触觉感受 ， 从 而构 建了肝脏外科的虚拟手术系统 [23]。 国内已有报道虚拟手术应用 于临床[24.25] 。虚拟手术 系统依赖数 字肝脏 模型建立虚拟手术平 台 ， 使临床医生 可在虚拟环境 中进行 手术 操作 ， 制 定手术 计划 。方驰华 等[26]为 1   1 例患者重建虚拟模 型并行 虚拟 手术 ， 将虚 拟手 术结果与术 中所见 相 比较 以评 价仿 真手 术在 临床 应 用 中的价 值 。其结果表 明仿真 手术 基本 符合临床手术过程 ， 并 可通过反复切割 ， 肝容积测 定等 为 帮助 临床 医生制 定 最适 宜 的手 术方案 。通过 与力反 馈系统的联合 ， 临床医生通过在虚拟手术平台上 的模拟操作 ， 可预先 体验 到手术 的真实 操作 感受 ， 可 以更准确 的掌握 到手术 目 标 区域 的结构特 点 ， 不 同组织 分离 、切割带来不 同的感 ： 觉回馈 ， 更 好地 理解 将要 进 行 的手 术方案 、 预测可能发生的危 险 、 选择 手术 中合理 的分 离或 切除平面 ， 从 而增加手术 的成功率 。

4 数 字虚拟肝脏在 医学教育与沟通 中的应 用

数字虚拟 肝脏 包 含 了丰 富的解 剖信 息 ， 并 具有 可 操作性 ， 不仅 可指导临床实践 ， 而 且可作 为一个 教育 沟通平 台应用于 医学教学 、 医患沟通 以及 医疗远程 协助等领域。数字虚拟肝脏可任意放大 、 缩小 、 旋转 、 透 明化 、 分解等操作 ， 作为解剖模型 ， 可帮助 医学生 准确 的掌握 肝脏 解剖 特点  。数字虚拟肝脏可用 以教学演示 以及操作 训练平台 ， 通 过反 复 的虚拟演示与操作 帮助年 轻医生快 速成 长 。J u r g a i t i s 等  对 2 9名肝肿瘤患者分别行 C T 扫 描与虚 拟模 型重建 ， 将所 得数据随机分配给 医学 院学 生 ， 让其分 别行肿 瘤定位 、 肝 段划 分等分析 ， 结果 表明利用三维数字模型数据 的学生在测试 中获得了更好 的结果 。利用 数字虚 拟肝脏 可 向患 者及 家属展 示手术计划及可能发生 的问题 ， 从而使其对治疗所存 在的风险到达明确 的认识 ， 减 少后 期可 能的 医患纠 纷  。在 临床 当 中疑难病例治疗 的远程协助 时有发 生 ， 数字虚拟肝脏使 协助者可在远程利用计算机 网络 进行 虚拟的手术操作 ， 以指导手术实施者 的实 际操作 ， 这较 传统 的指导更 加准 确 ， 更 具有 实用价值 。

5 总结与展 望

数字虚拟肝脏 已在个 体解剖 信息获 取 、 术前规 划 、 虚拟手术等领域得到广泛应用 ， 但是其仍有所局 限 ， 例如 ： 对于胆道系统 的重建 的不足是一较 大缺憾 ； 力反馈 系统设备 价格高昂不利于在临床 中的广泛 开展 ； 另外虚拟数字肝脏 的使用与二维肝脏影像资料 的应用一样 受 到临床实 际应 用者 自身水平的制约 ， 在不 同层次的应用结果存在偏差 。此外数 字虚拟肝脏的应用领域仍局 限于肝 脏外科 手术 的术前 准备 与术后评测阶段 ， 其在肝脏 外科 手术实施过程 中的应用 目 前 仍是 比较局 限 ， 在传统肝脏外科 手术 实施过程 中的应用价值 有待进一步开发 。但医学先进技术 的不 断发展 ， 这些 问题也 势必得到一定程度 的解决 。伴随肝脏微创外科 的兴 起 ， 尤其 是肝肿瘤热 消融的治疗 的迅速发展 ， 数字虚拟肝脏 的应用应 与时俱进 ， 肝肿瘤热 消融定位 、 实 时辅助 系统 的开 发可 以成 为虚 拟数 字肝脏下一个广泛发挥作用的领域。