長期以來，臨床外科醫(yī)生盼望能開發(fā)出一套適合臨床需要的虛擬肝髒手術(shù)綜合系統(tǒng)。爲(wèi)此作者在前期工作的基礎(chǔ)上，采用肝髒管道灌注、冰凍、銑切獲得的數(shù)據(jù)集，使用自由設(shè)計模型系統(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)果報告如下。
1 材料與方法
1.1 材料和設(shè)備
14個成人離體肝臟標(biāo)本，4種顏色灌注液，JXl500A鉛直的碾磨機(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和力反應(yīng)設(shè)備PHANTOM(建立虛擬肝臟切割手術(shù)環(huán)境系統(tǒng))。
1.2 實驗方法
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離體肝臟四種管道進(jìn)行灌注。選擇灌注結(jié)果最好的一號肝臟標(biāo)本，用藍(lán)色凝膠包埋，并在肝臟周圍放置棕紅色的8個直桿標(biāo)志物作為圖像配準(zhǔn)點。置一25℃冷庫中冷凍3周后，于一27℃條件下采用JXl500A鉛直的碾磨機(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。
采用圖像處置軟件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(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)采用外部點力法和力矩法相結(jié)合，使用包埋時預(yù)先埋在肝臟周圍的標(biāo)志物作為配準(zhǔn)點，依據(jù)肝臟與這些標(biāo)志物相對位置靜止的特征對圖像進(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)的邊沿檢測算法，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，并對該模型進(jìn)行膨脹、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，肝動脈紅色，肝管和膽囊黃色，肝臟外表土黃色。
② 界說肝臟外表模型部分晶瑩，觀察肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)的分布、走行，依據(jù)臨床手術(shù)原理，設(shè)計和確定切除平面。
③ 切開肝實質(zhì)：激活肝臟模型，界說其力反應(yīng)強度大小，使用PHANTOM操縱“手術(shù)刀”，按設(shè)計的手術(shù)平面切開肝實質(zhì)，并移除切除的肝實質(zhì)部分。
④ 左外葉門靜脈切除：激活門靜脈模型，界說其力反應(yīng)強度的大；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)的部分排除。
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(shù)：
① 建立肝臟模型，方法同前。
② 確定切除平面和切除范圍：通過肝臟外表模型部分晶瑩法，膨脹、縮小和旋轉(zhuǎn)觀察肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)的分布、走行，依據(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 切開肝實質(zhì)及所有通過斷面的管道：激活肝臟模型，界說其力反應(yīng)強度；使用PHANTOM操縱“手術(shù)刀”，比照確定的計劃由淺入深分步驟、分層次切開肝實質(zhì)，在碰到通過斷面的管道結(jié)構(gòu)時，給予暴露、游離；依據(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)定好力反應(yīng)強度大。皇褂肞HANTOM操縱“手術(shù)刀”進(jìn)行切割；肝實質(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)并排除；通過膨脹、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。使用圖像處置軟件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髒全貌，圖像連續(xù)瀏覽無晃動。
2.3 肝臟圖像的分割
依據(jù)需要對感興致區(qū)域(Region of Interest，ROD肝實質(zhì)、肝靜脈、下腔靜脈、門靜脈、肝動脈、肝管和膽囊分別進(jìn)行分割提取，獵取了相應(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)外表模型經(jīng)Freeform Modeling System進(jìn)行平滑和去噪后，形態(tài)逼真。在FreeForm Modeling System中可對模型任意膨脹、縮小、旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行全方位觀察。
2.5 肝臟切割手術(shù)仿真
在建立的虛擬肝髒切割手術(shù)虛擬環(huán)境系統(tǒng)中，沈浸感強，交互性好？梢允褂昧Ψ答佋O(shè)備PHANTOM對立體肝髒模型進(jìn)行隨意膨脹、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，對肝髒模型進(jìn)行單一平面或隨意切割，並且在切割時實現(xiàn)了“力”的感覺及力反饋的大小。仿真過程基本適合臨床肝髒切除的手術(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)勢由于人體肝臟管道結(jié)構(gòu)龐大，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)集采用管道色彩界說灌注技術(shù)，獲得的肝臟管道結(jié)構(gòu)不僅詳細(xì)，同時計算機(jī)容易識別。圖像配準(zhǔn)時，在肝臟周圍預(yù)置了棕紅色的8個標(biāo)志物作為配準(zhǔn)點，用外部點法結(jié)通力合作矩法，使相鄰圖像的質(zhì)心能夠更加靠近，進(jìn)一步提高了配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。同時針對圖像數(shù)據(jù)的顏色特征，依據(jù)人視覺上邊沿增強的原理，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)的邊沿檢測算法，分割獵取的肝臟及其內(nèi)部管道的輪廓信息良好。使用比利時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，重建模型立體結(jié)果良好，形態(tài)逼真，輸出為STL(Standard Template Libarary標(biāo)準(zhǔn)模板庫)格式，適合研究后續(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)的龐大性和變異性，使肝臟手術(shù)成為一般外科的難點與重點。使用數(shù)字化數(shù)據(jù)集進(jìn)行的肝臟三維重建，其優(yōu)點是空間結(jié)構(gòu)定位準(zhǔn)確，可以立體地從各個角度觀察各解剖結(jié)構(gòu)、測量各種數(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)測和評估手術(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)的研究要緊集中在神經(jīng)外科和骨科方面，特別是術(shù)中導(dǎo)航，將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實相結(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)臨床報道較少，僅限于肝臟手術(shù)的術(shù)前評估。本研究使用FreeForm Modeling System觸覺式設(shè)計系統(tǒng)建立的肝切除手術(shù)虛擬環(huán)境系統(tǒng)主假如針對模擬肝臟切除手術(shù)等方面的功能需求，使用計算機(jī)等技術(shù)對二維醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處置，提供具有真實感的醫(yī)學(xué)圖像、模擬手術(shù)過程和結(jié)果，并可對其它器官類似的切除手術(shù)進(jìn)行模擬。盡管如此，其研究仍然為單個的肝臟標(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)計劃項目“腹部實質(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。使用的確肝臟腫瘤患者的影像學(xué)檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像調(diào)和(imagefusing)和更新，制定針對性的、個體化的手術(shù)規(guī)劃。
通過仿真手術(shù)了解肝髒腫瘤的數(shù)目、大小、位置，以減少患者不需要的手術(shù)暴露，同時估算殘留肝體積，爲(wèi)幸免手術(shù)後肝功能衰竭提供極爲(wèi)重要的依據(jù)，以達(dá)到提高手術(shù)安全性、減少並發(fā)癥、降低醫(yī)療費用的目的。
