長期以來，臨床外科醫生企盼能開發出一套適合臨床需要的虛擬肝臟手術綜合系統。為此作者在前期工作的基礎上，采用肝臟管道灌注、冰凍、銑切獲得的數據集，使用自由設計模型系統(FreeFormModeling System)二次開發，進行虛擬肝臟切割手術的研究，初步結果報告如下。

1 材料與方法

1.1 材料和設備

14個成人離體肝臟標本，4種顏色灌注液，JXl500A垂直的碾磨機，FinePix S2 Pro數碼相機(用于灌注肝臟的斷面圖像的采集)、MIMICS 9.0軟件(用于三維重建肝臟模型)，FreeForm ModelingSystem及其附帶的軟件GHOST和力反饋設備PHANTOM(建立虛擬肝臟切割手術環境系統)。

1.2 實驗方法

1.2.1 肝臟標本切片圖像數據集的采集將四種顏色灌注液分別對離體肝臟四種管道進行灌注。選擇灌注效果最好的一號肝臟標本，用藍色凝膠包埋，并在肝臟周圍放置棕紅色的8個直桿標志物作為圖像配準點。置一25℃冷庫中冷凍3周后，于一27℃條件下采用JXl500A垂直的碾磨機，磨盤直徑40mm，轉速850 T／min，進行連續等間距0.2 mm削切，使用富士FinePix S2 Pro數碼相機攝像采集斷面圖像。

采用圖像處理軟件Irfanview 3.98觀察肝臟冰凍銑切斷面圖像中肝靜脈、門靜脈、肝動脈、肝管和膽囊結構的分布、行程及相互關系等特征，并將所有圖像都轉換為BMP格式。

1.2.2 肝臟圖像配準采用外部點力法和力矩法相結合，利用包埋時預先埋在肝臟周圍的標志物作為配準點，依據肝臟與這些標志物相對位置不變的特征對圖像進行配準。

1.2.3 肝臟圖像分割采用基于微分算子和數學形態學的邊緣檢測算法，將圖像中的肝臟及其內部管道結構分別提取出來。

1.2.4 肝臟圖像的三維重建使用三維重建軟件MIMICS 9.0，分割提取肝實質及其內部肝膽結構的輪廓線(Contour line)，采用輪廓拼接法及三角面片法重建肝臟及其內部管道的三維模型，并將重建的模型輸出為STL(Standard Template Libarary標準模板庫)格式。將模型導入FreeForm ModelingSystem進行平滑和去噪，在空間上組合和顯示各模型，并對該模型進行放大、縮小、旋轉等操作，全方位地觀察虛擬肝臟及內部各管道結構和空間分布等細節。

1.2.5 虛擬肝臟切割手術采用FreeForm Model—ing System二次開發，進行虛擬肝臟仿真手術。

(1) 左肝外葉切除術：

① 將肝臟和各管道模型導入到FreeForm Modeling System中。分別用差別明顯的顏色渲染各管道：門靜脈藍色，肝靜脈紫色，肝動脈紅色，肝管和膽囊黃色，肝臟表面土黃色。

② 定義肝臟表面模型部分透明，觀察肝內管道結構的分布、走行，根據臨床手術原理，設計和確定切除平面。

③ 切開肝實質：激活肝臟模型，定義其力反饋強度大小，使用PHANTOM操縱“手術刀”，按設計的手術平面切開肝實質，并移除切除的肝實質部分。

④ 左外葉門靜脈切除：激活門靜脈模型，定義其力反饋強度的大小；使用PHANTOM操縱“手術刀”，在肝切面處切斷門靜脈；將斷面以遠的部分消除。

⑤分別切除左外葉肝左靜脈屬支、肝動脈分支和肝管屬支，方法均類似左外葉門靜脈切除。

(2) 右肝切除術：

① 建立肝臟模型，方法同前。

② 確定切除平面和切除范圍：通過肝臟表面模型部分透明法，放大、縮小和旋轉觀察肝內管道結構的分布、走行，根據手術切除原則確定切除平面為下腔靜脈右側和膽囊切跡右側的連線平面；切除范圍包括肝臟V、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ段。

③ 切開肝實質及所有經過斷面的管道：激活肝臟模型，定義其力反饋強度；使用PHANTOM操縱“手術刀”，按照確定的計劃由淺入深分步驟、分層次切開肝實質，在遇到經過斷面的管道結構時，給予暴露、游離；根據顏色特征，確定擬切除的管道結構類型，激活相應模型，設定好力反饋強度大小；使用PHANTOM操縱“手術刀”進行切割；肝實質和管道全部切斷后，觀察切面情況。

④ 將切除的右肝部分移除，依次分別激活已與主體分離的右肝各結構并消除；通過放大、縮小、旋轉分別觀察切面情況。

2 結果

2.1 肝臟切片斷面圖像數據集

一號肝臟標本共采集圖像910張，格式JPEG1748×1812×24b，數據集大小494MB。使用圖像處理軟件Irfanview 3.98分別和連續觀察序列的各圖像，可清晰顯示下腔靜脈，肝右、中、左靜脈主干及其屬支的行程和分布，肝管、肝動脈細小，與門靜脈伴行。

2.2 肝臟圖像的配準

配準的圖像在1500×1000的矩形區域，配準良好，包括了所有序列圖像的肝臟全貌，圖像連續瀏覽無晃動。

2.3 肝臟圖像的分割

根據需要對感興趣區域(Region of Interest，ROD肝實質、肝靜脈、下腔靜脈、門靜脈、肝動脈、肝管和膽囊分別進行分割提取，獲取了相應的圖像信息。

2.4 肝臟圖像的三維重建

MIMICS重建的三維肝臟及其內部管道結構表面模型經Freeform Modeling System進行平滑和去噪后，形態逼真。在FreeForm Modeling System中可對模型任意放大、縮小、旋轉，進行全方位觀察。

2.5 肝臟切割手術仿真

在建立的虛擬肝臟切割手術虛擬環境系統中，沉浸感強，交互性好。可以使用力反饋設備PHANTOM對立體肝臟模型進行隨意放大、縮小、全方位旋轉等控制。通過PHANTOM操縱“模擬手術刀”分別模擬左肝外葉和右肝切除手術過程，對肝臟模型進行單一平面或隨意切割，并且在切割時實現了“力”的感覺及力反饋的大小。仿真過程基本符合臨床肝臟切除的手術過程。

3 討論

3.1 肝臟斷面圖像三維重建和可視化的意義

3.1.1 本研究肝臟斷面圖像三維重建的技術優勢由于人體肝臟管道結構復雜，現在國內外整體數字化虛擬人體數據集和現代醫學影像設備(螺旋CT、MRI、PET等)掃描數據集有關肝臟結構方面都存在信息不全的問題。本研究的肝臟數據集采用管道色彩定義灌注技術，獲得的肝臟管道結構不僅詳細，而且計算機容易識別。圖像配準時，在肝臟周圍預置了棕紅色的8個標志物作為配準點，用外部點法結合力矩法，使相鄰圖像的質心能夠更加接近，進一步提高了配準的準確性。同時針對圖像數據的顏色特征，依據人視覺上邊緣增強的原理，改進了一種基于灰度圖像的迭代求圖像最佳分割閾值的算法，并提出了一種基于微分算子和數學形態學的邊緣檢測算法，分割獲取的肝臟及其內部管道的輪廓信息良好。使用比利時Materialise公司研發的交互式醫學圖象控制系統MIMICS三維重建軟件，采用面繪制的方法進行肝臟及其管道的三維重建，重建模型立體效果良好，形態逼真，輸出為STL(Standard Template Libarary標準模板庫)格式，符合研究后續肝臟切除手術所需要標準的三維文件格式。

3.1.2 肝臟斷面圖像三維重建和可視化的臨床意義肝臟內部管道結構的復雜性和變異性，使肝臟手術成為普通外科的難點與重點。利用數字化數據集進行的肝臟三維重建，其優點是空間結構定位準確，可以立體地從各個角度觀察各解剖結構、測量各種數據，系統地研究肝臟的管道結構。為肝臟外科學的發展提供了準確的臨床解剖學數據，也為進一步進行肝臟手術規劃、模擬和完善手術過程、預測和評估手術結果提供了可靠的基礎，解決了螺旋CT等設備不能在其自身上進行二次開發手術規劃和手術演練的局限性。

3.2 肝臟切割手術仿真及其意義

目前虛擬手術的研究主要集中在神經外科和骨科方面，尤其是術中導航，將虛擬現實和增強現實相結合，甚至聯合手術機器人在臨床成功應用。而虛擬肝臟手術臨床報道較少，僅限于肝臟手術的術前評估。本研究利用FreeForm Modeling System觸覺式設計系統建立的肝切除手術虛擬環境系統主要是針對模擬肝臟切除手術等方面的功能需求，利用計算機等技術對二維醫學影像數據進行分析和處理，提供具有真實感的醫學圖像、模擬手術過程和結果，并可對其它器官類似的切除手術進行模擬。雖然如此，其研究仍然為單個的肝臟標本。為了將研究結果盡快過渡到臨床，我們正在應用先進的64層螺旋CT進行國家高技術研究發展(863)計劃項目“腹部實質臟器64層螺旋CT數據三維重建及仿真手術研究”，通過收集不同性別、年齡段、身高、體重等正常人及腫瘤病人的數據，建立普遍人群腹部臟器數據庫。利用具體肝臟腫瘤患者的影像學檢查數據進行圖像融合(imagefusing)和更新，制定針對性的、個體化的手術規劃。

通過仿真手術了解肝臟腫瘤的數目、大小、位置，以減少患者不必要的手術暴露，同時估算殘留肝體積，為避免手術后肝功能衰竭提供極為重要的依據，以達到提高手術安全性、減少并發癥、降低醫療費用的目的。