長期以來，臨床外科醫(yī)生企盼能開發(fā)出一套適合臨床需要的虛擬肝臟手術(shù)綜合系統(tǒng)。為此作者在前期工作的基礎(chǔ)上，采用肝臟管道灌注、冰凍、銑切獲得的數(shù)據(jù)集，使用自由設(shè)計(jì)模型系統(tǒng)(FreeFormModeling System)二次開發(fā)，進(jìn)行虛擬肝臟切割手術(shù)的研究，初步結(jié)果報(bào)告如下。

1 材料與方法

1.1 材料和設(shè)備

14個(gè)成人離體肝臟標(biāo)本，4種顏色灌注液，JXl500A垂直的碾磨機(jī)，F(xiàn)inePix S2 Pro數(shù)碼相機(jī)(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)，F(xiàn)reeForm ModelingSystem及其附帶的軟件GHOST和力反饋設(shè)備PHANTOM(建立虛擬肝臟切割手術(shù)環(huán)境系統(tǒng))。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 肝臟標(biāo)本切片圖像數(shù)據(jù)集的采集將四種顏色灌注液分別對(duì)離體肝臟四種管道進(jìn)行灌注。選擇灌注效果最好的一號(hào)肝臟標(biāo)本，用藍(lán)色凝膠包埋，并在肝臟周圍放置棕紅色的8個(gè)直桿標(biāo)志物作為圖像配準(zhǔn)點(diǎn)。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(jī)，磨盤直徑40mm，轉(zhuǎn)速850 T／min，進(jìn)行連續(xù)等間距0.2 mm削切，使用富士FinePix S2 Pro數(shù)碼相機(jī)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(dòng)脈、肝管和膽囊結(jié)構(gòu)的分布、行程及相互關(guān)系等特征，并將所有圖像都轉(zhuǎn)換為BMP格式。

1.2.2 肝臟圖像配準(zhǔn)采用外部點(diǎn)力法和力矩法相結(jié)合，利用包埋時(shí)預(yù)先埋在肝臟周圍的標(biāo)志物作為配準(zhǔn)點(diǎn)，依據(jù)肝臟與這些標(biāo)志物相對(duì)位置不變的特征對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。

1.2.3 肝臟圖像分割采用基于微分算子和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的邊緣檢測(cè)算法，將圖像中的肝臟及其內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)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(shí)質(zhì)及其內(nèi)部肝膽結(jié)構(gòu)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(nèi)部管道的三維模型，并將重建的模型輸出為STL(Standard Template Libarary標(biāo)準(zhǔn)模板庫)格式。將模型導(dǎo)入FreeForm ModelingSystem進(jìn)行平滑和去噪，在空間上組合和顯示各模型，并對(duì)該模型進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，全方位地觀察虛擬肝臟及內(nèi)部各管道結(jié)構(gòu)和空間分布等細(xì)節(jié)。

1.2.5 虛擬肝臟切割手術(shù)采用FreeForm Model—ing System二次開發(fā)，進(jìn)行虛擬肝臟仿真手術(shù)。

(1) 左肝外葉切除術(shù)：

① 將肝臟和各管道模型導(dǎo)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(lán)色，肝靜脈紫色，肝動(dòng)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(nèi)管道結(jié)構(gòu)的分布、走行，根據(jù)臨床手術(shù)原理，設(shè)計(jì)和確定切除平面。

③ 切開肝實(shí)質(zhì)：激活肝臟模型，定義其力反饋強(qiáng)度大小，使用PHANTOM操縱“手術(shù)刀”，按設(shè)計(jì)的手術(shù)平面切開肝實(shí)質(zhì)，并移除切除的肝實(shí)質(zhì)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(qiáng)度的大小；使用PHANTOM操縱“手術(shù)刀”，在肝切面處切斷門靜脈；將斷面以遠(yuǎn)的部分消除。

⑤分別切除左外葉肝左靜脈屬支、肝動(dòng)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(shù)：

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(zhuǎn)觀察肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)的分布、走行，根據(jù)手術(shù)切除原則確定切除平面為下腔靜脈右側(cè)和膽囊切跡右側(cè)的連線平面；切除范圍包括肝臟V、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ段。

③ 切開肝實(shí)質(zhì)及所有經(jīng)過斷面的管道：激活肝臟模型，定義其力反饋強(qiáng)度；使用PHANTOM操縱“手術(shù)刀”，按照確定的計(jì)劃由淺入深分步驟、分層次切開肝實(shí)質(zhì)，在遇到經(jīng)過斷面的管道結(jié)構(gòu)時(shí)，給予暴露、游離；根據(jù)顏色特征，確定擬切除的管道結(jié)構(gòu)類型，激活相應(yīng)模型，設(shè)定好力反饋強(qiáng)度大小；使用PHANTOM操縱“手術(shù)刀”進(jìn)行切割；肝實(shí)質(zhì)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(jié)構(gòu)并消除；通過放大、縮小、旋轉(zhuǎn)分別觀察切面情況。

2 結(jié)果

2.1 肝臟切片斷面圖像數(shù)據(jù)集

一號(hào)肝臟標(biāo)本共采集圖像910張，格式JPEG1748×1812×24b，數(shù)據(jù)集大小494MB。使用圖像處理軟件Irfanview 3.98分別和連續(xù)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(dòng)脈細(xì)小，與門靜脈伴行。

2.2 肝臟圖像的配準(zhǔn)

配準(zhǔn)的圖像在1500×1000的矩形區(qū)域，配準(zhǔn)良好，包括了所有序列圖像的肝臟全貌，圖像連續(xù)瀏覽無晃動(dòng)。

2.3 肝臟圖像的分割

根據(jù)需要對(duì)感興趣區(qū)域(Region of Interest，ROD肝實(shí)質(zhì)、肝靜脈、下腔靜脈、門靜脈、肝動(dòng)脈、肝管和膽囊分別進(jìn)行分割提取，獲取了相應(yīng)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(nèi)部管道結(jié)構(gòu)表面模型經(jīng)Freeform Modeling System進(jìn)行平滑和去噪后，形態(tài)逼真。在FreeForm Modeling System中可對(duì)模型任意放大、縮小、旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行全方位觀察。

2.5 肝臟切割手術(shù)仿真

在建立的虛擬肝臟切割手術(shù)虛擬環(huán)境系統(tǒng)中，沉浸感強(qiáng)，交互性好。可以使用力反饋設(shè)備PHANTOM對(duì)立體肝臟模型進(jìn)行隨意放大、縮小、全方位旋轉(zhuǎn)等控制。通過PHANTOM操縱“模擬手術(shù)刀”分別模擬左肝外葉和右肝切除手術(shù)過程，對(duì)肝臟模型進(jìn)行單一平面或隨意切割，并且在切割時(shí)實(shí)現(xiàn)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(shù)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(shù)優(yōu)勢(shì)由于人體肝臟管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)在國內(nèi)外整體數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像設(shè)備(螺旋CT、MRI、PET等)掃描數(shù)據(jù)集有關(guān)肝臟結(jié)構(gòu)方面都存在信息不全的問題。本研究的肝臟數(shù)據(jù)集采用管道色彩定義灌注技術(shù)，獲得的肝臟管道結(jié)構(gòu)不僅詳細(xì)，而且計(jì)算機(jī)容易識(shí)別。圖像配準(zhǔn)時(shí)，在肝臟周圍預(yù)置了棕紅色的8個(gè)標(biāo)志物作為配準(zhǔn)點(diǎn)，用外部點(diǎn)法結(jié)合力矩法，使相鄰圖像的質(zhì)心能夠更加接近，進(jìn)一步提高了配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。同時(shí)針對(duì)圖像數(shù)據(jù)的顏色特征，依據(jù)人視覺上邊緣增強(qiáng)的原理，改進(jìn)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(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的邊緣檢測(cè)算法，分割獲取的肝臟及其內(nèi)部管道的輪廓信息良好。使用比利時(shí)Materialise公司研發(fā)的交互式醫(yī)學(xué)圖象控制系統(tǒng)MIMICS三維重建軟件，采用面繪制的方法進(jìn)行肝臟及其管道的三維重建，重建模型立體效果良好，形態(tài)逼真，輸出為STL(Standard Template Libarary標(biāo)準(zhǔn)模板庫)格式，符合研究后續(xù)肝臟切除手術(shù)所需要標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部管道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和變異性，使肝臟手術(shù)成為普通外科的難點(diǎn)與重點(diǎn)。利用數(shù)字化數(shù)據(jù)集進(jìn)行的肝臟三維重建，其優(yōu)點(diǎn)是空間結(jié)構(gòu)定位準(zhǔn)確，可以立體地從各個(gè)角度觀察各解剖結(jié)構(gòu)、測(cè)量各種數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地研究肝臟的管道結(jié)構(gòu)。為肝臟外科學(xué)的發(fā)展提供了準(zhǔn)確的臨床解剖學(xué)數(shù)據(jù)，也為進(jìn)一步進(jìn)行肝臟手術(shù)規(guī)劃、模擬和完善手術(shù)過程、預(yù)測(cè)和評(píng)估手術(shù)結(jié)果提供了可靠的基礎(chǔ)，解決了螺旋CT等設(shè)備不能在其自身上進(jìn)行二次開發(fā)手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)演練的局限性。

3.2 肝臟切割手術(shù)仿真及其意義

目前虛擬手術(shù)的研究主要集中在神經(jīng)外科和骨科方面，尤其是術(shù)中導(dǎo)航，將虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，甚至聯(lián)合手術(shù)機(jī)器人在臨床成功應(yīng)用。而虛擬肝臟手術(shù)臨床報(bào)道較少，僅限于肝臟手術(shù)的術(shù)前評(píng)估。本研究利用FreeForm Modeling System觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)建立的肝切除手術(shù)虛擬環(huán)境系統(tǒng)主要是針對(duì)模擬肝臟切除手術(shù)等方面的功能需求，利用計(jì)算機(jī)等技術(shù)對(duì)二維醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提供具有真實(shí)感的醫(yī)學(xué)圖像、模擬手術(shù)過程和結(jié)果，并可對(duì)其它器官類似的切除手術(shù)進(jìn)行模擬。雖然如此，其研究仍然為單個(gè)的肝臟標(biāo)本。為了將研究結(jié)果盡快過渡到臨床，我們正在應(yīng)用先進(jìn)的64層螺旋CT進(jìn)行國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃項(xiàng)目“腹部實(shí)質(zhì)臟器64層螺旋CT數(shù)據(jù)三維重建及仿真手術(shù)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(shù)據(jù)，建立普遍人群腹部臟器數(shù)據(jù)庫。利用具體肝臟腫瘤患者的影像學(xué)檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合(imagefusing)和更新，制定針對(duì)性的、個(gè)體化的手術(shù)規(guī)劃。

通過仿真手術(shù)了解肝臟腫瘤的數(shù)目、大小、位置，以減少患者不必要的手術(shù)暴露，同時(shí)估算殘留肝體積，為避免手術(shù)后肝功能衰竭提供極為重要的依據(jù)，以達(dá)到提高手術(shù)安全性、減少并發(fā)癥、降低醫(yī)療費(fèi)用的目的。