3D虛擬手術規劃系統在精準肝臟外科中的應用

孫 遜綜述 許戈良審校

3D虛擬手術規劃系統在精準肝臟外科中的應用

孫 遜綜述 許戈良審校

在肝切除術中，術前重建肝臟與肝內血管、膽管解剖關系及詳細評估有功能的殘肝體積對手術預后有著重要的意義。近年現代影像技術和手術技術的飛速發展，使得數字化三維（3D）成像開始在術前規劃中廣泛應用。3D虛擬肝切除系統可以在3D的空間里直觀地提供傳統二維（2D）成像難以顯示的信息以及進行模擬肝切除操作。術中導航系統的應用將術前計算機規劃的數據用于術中實時操作，從而讓精準肝切除手術的開展更加安全和標準。該文綜述3D技術在肝臟外科中的臨床應用，并討論實際存在的問題以及發展前景。

虛擬肝切除;計算機輔助手術;三維重建

在肝臟手術中，充分了解肝臟解剖結構及詳細評估有功能的殘肝體積對肝切除術后的預后有著重要的指導意義。近年來，隨著現代影像技術和手術技術的發展，數字化三維（three dimensional，3D）成像系統開始在包括肝切除術等手術前規劃中廣泛應用。該系統可幫助臨床醫師在計算機上重建肝臟解剖結構，在3D的空間里直觀地了解腫瘤的位置及其與周圍血管、膽管的解剖關系［1－2］，設計不同的肝切除線進行虛擬肝臟切除手術，從而協助外科醫師制定出最佳的手術方案。現就3D技術在肝臟外科中的應用做一綜述。

1 肝臟結構的3D可視化

在傳統肝臟手術規劃中，外科醫師只能通過二維（two dimensional，2D）影像（CT/MRI/超聲檢查等）觀察肝臟，可視化效果差，對于腫瘤邊緣顯影模糊［3］，其對于小肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）的檢測較差［4］。這種通過2D影像在醫師腦海中重建肝臟解剖結構的方法存在個人主觀性，并且受到肝臟外科醫師的經驗及專業知識水平的影響較大［5］，造成缺乏臨床經驗的年輕肝臟外科醫師難以正確理解肝臟的立體解剖結構，并且無法共享那些擁有豐富臨床經驗的高年資醫師腦海中成熟的圖像。

現可以利用計算機3D重建軟件以及圖像處理技術對采集到的2D圖像進行3D重建，從而實現肝臟結構的3D可視化，形成之后的3D立體肝臟結構圖像可以提供2D圖像難以顯示的區域［6］并得到客觀的、可以共享的肝臟解剖信息，其圖像具有精確、生動、逼真的特點。

目前，64排螺旋CT 3D成像系統已經開始廣泛應用于臨床，其能夠精確地顯示肝臟病灶與肝內管道系統的立體結構空間位置以及毗鄰關系，不僅解決了傳統解剖學定位不清晰的難題，還可以用于全方位、整體、清晰顯示門靜脈屬支及其側枝循環，對于門脈高壓癥（portal hypertension，PHT）病因診斷及制定外科手術方案有重要指導價值［7］。

肝臟3D圖像為制定下一步手術計劃提供最真實、可靠的決策依據，并可用于臨床模擬與教學工作［8］。該圖像還可滿足醫師與患者家屬溝通病情的需要，為患者家屬提供個體化、易懂的影像資料，讓患者及其家屬對疾病有初步的視覺認知，并對即將進行的手術中的風險有較直觀的了解，避免因溝通不足、理解錯誤而造成醫患糾紛。

2 肝臟體積3D數字化測算

肝臟具有強大的代償和再生潛能，正常肝臟可以耐受70% ～80%體積的肝切除［9］，然而當患者患有活動性肝炎、肝硬化等急慢性肝損害時，肝臟所能耐受的切除范圍也相應降低。黃志強［10］曾提出肝臟手術中殘肝百分比在不同肝功能Child分級的標準:術前肝功能與殘肝百分比對應Child A＞50%，Child B＞75%，Child C的患者只能局部切除不能耐受大手術。Shirabe et al［11］回顧性分析284例患者行肝癌切除手術，結果提示殘肝體積的大小與肝切除術后發生肝功能不全及肝衰竭有著密切的關系。

過去，殘肝體積的評估主要依據2D（CT/MRI）影像模糊估算及術中對實體肝臟的大致目測，無法滿足現代肝臟外科對于“精準”的需求。如今，將2D影像數據輸入3D重建軟件中，經過計算機的自動累加和外科醫師的手工勾畫，最后得到精確的全肝體積、預切肝臟體積以及殘肝體積的數據［12］。林科燦等［13］對127例肝癌患者進行虛擬肝切除手術，通過軟件測得預切除肝臟體積為（477±223）ml，實際切除肝臟體積為（451±209）ml，誤差率為6.1%。Lang et al［14］對21例同時使用2D手術規劃以及3D重建并虛擬手術的肝癌病例進行分析，對余肝有功能肝體積估計差異:其中＜20%占14例，20%和30%之間3例，30%和40%之間2例，40%和50%之間2例，其中差別最大的為擴大左肝切除。因此與傳統方法比較，虛擬手術系統對預測的肝切除體積更加精確［15］。

基于3D 數字化模擬系統，Saito et al［16］通過虛擬靜脈灌注，將肝體積按比例劃分區域，得到每根血管的供血（引流）區域，在術前對模擬切除靜脈后殘肝的缺血（淤血）進行量化分析，進一步提高精準肝切除手術的安全性和精準性。在術前通過使用3D重建軟件精確測算血管所支配的功能體積是進行精準肝切除的必要工具［17］，并且對精準肝切除計劃的制定起到一定的指導作用。

3 計算機模擬3D肝切除

3D數字化計算機輔助規劃系統的應用能夠客觀精確地展示病灶以及病灶周圍受累情況，并且可以進行功能性殘肝體積評估，為下一步手術醫師設計和優化肝切除線路提供客觀的依據，從而降低手術風險及術后并發癥。術前對病灶的3D評估和手術計劃將成為當前肝臟外科的常規準備［18］。

計算機3D肝切除系統可以在術前準確的定位肝內血管管道的關系，避免術中不必要的出血［19］，在對術前有肝功能代償問題或須行廣泛肝切除的患者進行3D評估有實用價值。3D虛擬手術設計對于活體肝移植術前詳細了解肝動靜脈、門靜脈血管變異情況有很大幫助，依此判斷供體肝臟與受體血管匹配度，從而減少肝移植術后的并發癥［20］，準確了解供肝血管解剖及正確的手術設計是保證活體肝移植供、受者手術成功的先決條件［21］。

應用3D數字化計算機輔助手術規劃系統，能夠在術前提供清晰的肝內肝動脈、門靜脈和肝靜脈等血管結構的分布情況，對病灶與毗鄰血管的空間解剖關系進行量化分析，尤其對于評估復雜的尾狀葉腫瘤與血管的關系明顯優于傳統2D影像［22］，增加復雜性肝切除手術規劃的準確率及手術安全性［23］。其具有可以任意移動、旋轉、切割等多種功能，虛擬肝切除手術的直觀性、可修改、可重復性是3D技術應用的最大優點。

計算機模擬3D肝切除技術應用于腹腔鏡手術的術前規劃［24］能夠在術前更加精確地分析手術創傷大小，制定最佳手術方案減少手術對患者的創傷，旨在追求“最小創傷侵襲、最大臟器保護和最佳康復效果［9］”。未來3D技術將成為推動腹腔鏡微創外科發展的重要輔助工具。

實施計算機模擬3D肝切除能夠在術前制定出詳細的肝切除線路圖，對現實手術中可能出現的復雜和危險進行預判，在設計手術切割面時對可能損傷到周圍重要血管或膽管時需進行方案調整，比較不同的手術方案的優缺點，便于手術醫師應對術中突發情況隨時改變手術方案，增加手術醫師對手術過程的理解和信心，從而提高手術的精確性及安全性［25］。

4 計算機3D技術的不足

3D數字化技術在精準肝切除中的實際應用仍存在一些客觀問題，3D計算機輔助肝切除手術線路的設計及修改過程中需要手動操作，這一過程將耗費外科醫師大量時間。由于腫瘤壓迫等原因造成血管顯影不清或患者因過敏體質無法采集2D增強數據等都會影像3D重建軟件的正常使用。

3D計算機輔助肝切除是在虛擬空間中進行的手術操作，而現實肝臟手術中肝臟會因手術醫師的操作而改變形狀，被手術者的呼吸運動還可以造成肝臟位置的不斷變化，這些原因都會導致無法將術前影像資料與手術中實時情況進行精準的配對［26－27］。因此3D虛擬肝切除技術目前只能用于術前3D成像及模擬肝切除等步驟，尚不能完成對實時手術中的導航。

5 計算機3D技術未來展望

目前，術中導航系統已經在神經外科、頜面外科、整形外科等擁有骨性框架的專科中廣泛應用。有研究者已經開始研究導航系統在肝臟外科中的應用［26］，導航系統聯合術中超聲在實時開放手術中的使用已有報道［27］，術中導航系統的應用可以將術前規劃的數據用于實時操作，從而讓精準肝切除手術的開展更加安全和標準［28］，可以預見，3D計算機技術將在精準肝臟外科發展中發揮越來越大的作用。在未來，還能夠將術中實時3D可視化手術導航系統與達芬奇機器人手術系統相結合，可以讓機器人獨立手術得以實現。

［1］Nanashima A，Abo T，Sakamoto I，et al.Three-dimensional fusion images of hepatic vasculature and bile duct used for preoperative simulation before hepatic surgery ［J］.Hepatogastroenterology，2012，59（118）:1748－57.

［2］Shen X Y，Chai C H，Xiao W B，et al.Diagnostic value of the fluoroscopic triggering 3D LAVA technique for primary liver cancer［J］.Hepatobiliary Pancreat Dis Int，2010，9（2）:159－63.

［3］Fukuda H，Numata K，Nozaki A，et al.Usefulness of US-CT 3D dual imaging for the planning and monitoring of hepatocellular carcinoma treatmentusing HIFU ［J］.Eur J Radiol，2011，80（3）:e306－10.

［4］Fukuda H，Ito R，Ohto M，et al.US-CT 3D dual imaging by mutual display of the same sections for depicting minor changes in hepatocellular carcinoma［J］.Eur J Radiol，2012，81（9）:2014－9.

［5］Lamade W，Glombitza G，Hscher L，et al.The impact of 3-dimemional reconstructions on operation planning in liver surgery［J］.Arch Surg，2000，135（11）:1256－61.

［6］Mise Y，Tani K，Aoki T，et al.Virtual liver resection:computerassisted operation planning using a three-dimensional liver representation［J］.J Hepatobiliary Pancreat，2013，20（2）:157－64.

［7］方馳華，項 楠，范應方，等.64層螺旋CT門靜脈三維成像在門靜脈高壓癥中的應用價值［J］.第四軍醫大學學報，2007，28（10）:919－21.

［8］陳 剛，張紹祥，譚立文，等.中國人三維數字化肝臟模型系統的建立［J］.中華肝膽外科雜志.2010，16（10）:734－7.

［9］董家鴻，黃志強.精準肝切除——21世紀肝臟外科新理念［J］.中華外科雜志，2009，47（21）:1601－5.

［10］黃志強.腹部外科手術學［M］.3版.長沙:湖南科學技術出版社，2002:517－8.

［11］Shirabe K，Shimada M，Gion T，et al.Postoperative liver failure after major hepatic resection for hepatocellular carcinoma in the modern era with special reference to remnant liver volume［J］.J Am Coll Surg，1999，188（3）:304－9.

［12］方馳華，馮石堅，范應方，等.三維可視化技術在評估殘肝體積及指導肝切除中的應用研［J］.肝膽外科雜志，2012，20（2）:95－8.

［13］林科燦，劉景豐，曾金華，等.虛擬肝臟手術規劃應用于肝切除術的研究［J］.中華外科雜志，2010，48（3）:185－8.

［14］Lang H，Radtke A，Hindennach M，et al.Impact of virtual tumor resection and computer-assisted risk analysis on operation planning and intraoperative strategy in major hepatic resection［J］.Arch Surg，2005，140（7）:629－38.

［15］Yamanaka J，Saito S，limuro Y，et al.The impact of 3-D virtual hepatectomy simulation in living-donor liver transplantation［J］.J Hepatobiliary Pancreat Surg，2006，13（5）:363－9.

［16］Saito S，Yamanaka J，Miura K，et al.A novel 3D hepatectomy simulation based on liver circulation:application to liver resection and transplantation［J］.Hepatology，2005，41（6）:1297－304.

［17］楊世忠，張文智，蔡守旺，等.計算機輔助手術規劃系統在精準肝切除中的應用價值［J］.中華消化外科雜志，2010，9（1）:31－4.

［18］Yamanaka J，Saito S，Fujimoto J，et al.Impact of preoperative planning using virtual segmental volumetry on liver resection for hepatocellular carcinoma［J］.World J Surg，2007，31（6）:1249－55.

［19］Mutter D，Dallemagne B，Bailey C H，et al.3D virtual reality and selective vascular control for laparoscopic left hepatic lobectomy［J］.Surg Endosc，2009，23（2）:432－5.

［20］Zein N N，Hanouneh I A，Bishop P D，et al.3-dimentional（3D）print of liver for preoperative planning in live donor liver transplantation［J］.Liver Transpl，2013，19（12）:1304－10.

［21］朱志軍，李俊杰，張建軍，等.肝臟血管解剖與活體肝移植供者選擇［J］.中華器官移植雜志，2010，31（3）:167－9.

［22］Kamiyama T，Nakagawa T，Nakanishi K，et al.Preoperative evaluation of hepatic vasculature by three-dimensional computed tomography in patients undergoing hepatectomy［J］.World J Surg，2006，30（3）:400－9.

［23］方馳華，劉星星，范應方，等.3D技術在復雜性肝切除術中的安全性評價［J］.南方醫科大學學報，2012，32（8）:1116－21.

［24］Yamanaka J，Okada T，Saito S，et al.Minimally invasive laparoscopic liver resection:3D MDCT simulation for preoperative planning［J］.Hepatobiliary Pancreat Surg，2009，16（6）:808－15.

［25］Lamata P，Lamata F，Sojar V，et al.Use of the resection map system as guidance during hepatectomy［J］.Surg Endosc，2010，24（9）:2327－37.

［26］Markert M，Koschany A，Lueth T.Tracking of the liver for navigation in open surgery ［J］.Int J Comput Assist Radiol Surg，2010，5（3）:229－35.

［27］Srimathveeravalli G，Leger J，Ezell P，et al.A study of porcine liver motion during respiration for improving targeting in imageguided needle placements［J］.Int J Comput Assist Radiol Surg，2013，8（1）:15－27.

［28］Mise Y，Tani K，Aoki T，et al.Virtual liver resection:computerassisted operation planning using a three-dimensional liver representation ［J］.J Hepatobiliary Pancreat Sci，2013，20（2）:157－64.

R 656

A

1000－1492（2014）05－0698－03

2014－02－24接收

安徽省2011年科技攻關項目（編號:11010402163）

安徽醫科大學附屬省立醫院肝臟外科，肝膽胰外科安徽省重點實驗室，合肥 230001

孫 遜，男，碩士研究生;

許戈良，男，主任醫師，博士生導師，責任作者，E-mail:xugeliang2007@163.com