數(shù)字智能化診療技術(shù)在門靜脈高壓癥中的應(yīng)用

曾 寧， 方馳華

（南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院肝膽一科 廣東省數(shù)字醫(yī)學(xué)臨床工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510282）

目前，三維可視化、3D打印、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)、混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality，MR)等數(shù)字智能化診療技術(shù)廣泛應(yīng)用于肝膽胰外科疾病的診治，呈蓬勃發(fā)展之勢[1]。門靜脈高壓癥的外科手術(shù)治療有其獨(dú)特的臨床優(yōu)勢，是治療中不可或缺的重要方法[2-4]。但因門靜脈高壓癥的門靜脈側(cè)支多樣性，術(shù)前有可能因未全面及個(gè)體化評(píng)估，導(dǎo)致外科手術(shù)療效欠佳。因此，高效、個(gè)體化的術(shù)前評(píng)估是提高診療效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)字智能化診療技術(shù)可獲取疾病全面、個(gè)體化的診療信息，全方位分析曲張門靜脈分型、程度、走行，制定合理的個(gè)體化手術(shù)方案，預(yù)判術(shù)中損傷風(fēng)險(xiǎn)，提高門靜脈高壓癥的外科療效。筆者結(jié)合國內(nèi)、外相關(guān)報(bào)道，分析近年來在門靜脈高壓癥診治中應(yīng)用數(shù)字智能化診療技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)[5]，詳細(xì)闡述應(yīng)用現(xiàn)狀。

數(shù)字智能化診療核心技術(shù)

一、三維可視化技術(shù)

三維可視化技術(shù)是利用CT檢查二維圖像對臟器進(jìn)行分割、計(jì)算，再使用表面渲染、體積渲染的三維重建方法，最后合成可視的三維圖像。目前，三維重建及可視化數(shù)據(jù)來源有很多種，主要包括基于尸體銑切的數(shù)據(jù)、活體CT及MRI檢查的圖像數(shù)據(jù)集。根據(jù)所獲得的圖像數(shù)據(jù)結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行整合，形成三維重建圖像[6]。2003年，鐘世鎮(zhèn)等[7]建立了第一個(gè)虛擬中國人1號(hào)。對標(biāo)準(zhǔn)中國男性進(jìn)行斷面銑切，每塊切片厚0.1 mm。收集每層數(shù)據(jù)，重建獲得人類三維生理結(jié)構(gòu)。隨著中國人體虛擬數(shù)據(jù)的完善，CT及MRI檢查影像學(xué)圖像質(zhì)量的提高，計(jì)算機(jī)輔助軟件的開發(fā)，近年來我國在骨科、神經(jīng)外科、心臟外科、肝膽胰外科等方面的三維重建及可視化技術(shù)方面投入大量研究。

二、VR技術(shù)

VR技術(shù)是用計(jì)算機(jī)三維建模仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、圖形及人工智能技術(shù)建立人體器官組織三維模擬仿真的虛擬環(huán)境。VR具有沉浸、交互、構(gòu)想和多感知的特點(diǎn)。VR技術(shù)模擬各個(gè)感知覺，為術(shù)前規(guī)劃提供依據(jù)，以便更清晰地了解病變性質(zhì)、位置等關(guān)鍵信息。將三維重建模型的STL格式文件導(dǎo)入高質(zhì)量開發(fā)引擎(unreal engine 4，UE4)中，在VR環(huán)境行三維建模。操作者佩戴VR眼鏡并操縱手柄，進(jìn)行沉浸式人機(jī)交互。利用VR環(huán)境，操作者可更直觀、更真實(shí)地觀察及操控病人個(gè)體化的三維模型，對疾病有新的認(rèn)識(shí)，指導(dǎo)疾病的診治[8]。

三、AR技術(shù)

AR技術(shù)是VR的延伸。其對實(shí)時(shí)畫面進(jìn)行數(shù)字化虛擬渲染，在現(xiàn)實(shí)場景中展示虛擬物體，給使用者帶來超現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。AR技術(shù)是將可視化現(xiàn)實(shí)與數(shù)字化虛擬畫面結(jié)合，主要包括三維重建、顯示、追蹤和配準(zhǔn)技術(shù)。AR系統(tǒng)具有3個(gè)特點(diǎn)：①虛實(shí)結(jié)合；②三維配準(zhǔn)，通過實(shí)時(shí)跟蹤及計(jì)算影像使位置與虛擬影像疊加于真實(shí)場景，實(shí)現(xiàn)虛擬影像與真實(shí)場景的融合；③實(shí)時(shí)交互，真實(shí)場景信息實(shí)時(shí)反饋給AR系統(tǒng)。AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)術(shù)前三維手術(shù)規(guī)劃與術(shù)中實(shí)時(shí)解剖操作相配準(zhǔn)，與手術(shù)視野圖像融合，將腹腔內(nèi)脈管結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系立體化和可視化，有利于解決腹腔鏡手術(shù)手眼不協(xié)調(diào)的問題。同時(shí)，臨床上AR技術(shù)可將術(shù)前個(gè)體化三維模型投影到腹腔鏡手術(shù)圖像中，提高腹腔管道解剖結(jié)構(gòu)的可視化，術(shù)中精確定位，識(shí)別肝內(nèi)脈管系統(tǒng)分布、走行，提前預(yù)判解剖變異情況。進(jìn)行術(shù)前個(gè)體化手術(shù)規(guī)劃，避免重要管道結(jié)構(gòu)意外損傷，提高手術(shù)的安全性[9-10]。

四、MR技術(shù)

MR技術(shù)是VR與AR進(jìn)一步發(fā)展的新興技術(shù)，在同一視覺空間內(nèi)融合、展現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界。AR與MR都是將虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，兩者的界線不是絕對的。目前的研究技術(shù)也都介于兩者之間[11]。盡管VR與AR技術(shù)在外科已應(yīng)用一段時(shí)間，但其在外科手術(shù)中單獨(dú)使用并未達(dá)到預(yù)期效果。因此MR技術(shù)成為未來多模智能化影像導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向[12]。MR結(jié)合VR與AR的優(yōu)點(diǎn)。其通過在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界與用戶之間形成交互通路，在現(xiàn)實(shí)世界中呈現(xiàn)虛擬事物，并與使用者發(fā)生交互，為疾病的診治提供新技術(shù)。

五、3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，利用塑料或金屬粉末等粘合材料逐層打印構(gòu)建立體事物的技術(shù)。3D打印技術(shù)是三維可視化技術(shù)的進(jìn)一步延伸發(fā)展，實(shí)現(xiàn)三維虛擬圖像向?qū)嶓w三維物理模型的跨越式轉(zhuǎn)變，使外科醫(yī)師從多個(gè)維度清晰、立體地觀察血管的變異和判斷腫瘤是否侵犯血管以及腫瘤的可切除性。基于3D打印技術(shù)的術(shù)前模擬手術(shù)，設(shè)計(jì)不同手術(shù)入路和切除范圍，選擇最佳個(gè)體化的手術(shù)方案，達(dá)到精準(zhǔn)手術(shù)目的。3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)“看得到、看得清、摸得著”的跨越式轉(zhuǎn)變，有著廣泛且光明的前景。但目前存在打印效率低、費(fèi)用高等問題。不久的將來，隨著3D生物打印技術(shù)的突飛猛進(jìn)，其會(huì)在肝膽外科中發(fā)揮更大作用，為醫(yī)學(xué)的發(fā)展助力[13]。

數(shù)字智能化診療技術(shù)在門靜脈高壓癥個(gè)體化手術(shù)治療中的應(yīng)用

一、門靜脈高壓癥中的應(yīng)用

近年，三維可視化技術(shù)的臨床應(yīng)用日益廣泛，門靜脈高壓癥外科手術(shù)已進(jìn)入精準(zhǔn)手術(shù)時(shí)代[14-15]。CT及MRI等二維圖像僅在人腦中重建，呈臨時(shí)性和不穩(wěn)定特點(diǎn)。三維可視化模型能提供客觀、真實(shí)、精確的血管走行三維圖像。三維模型能整體、系統(tǒng)地顯示門靜脈系統(tǒng)曲張血管的程度、起始及毗鄰關(guān)系，尤其是胃短、胃后及食管旁靜脈。其可精準(zhǔn)定位曲張血管的位置、直徑、形態(tài)及走行，對臨床個(gè)體化的手術(shù)決策及時(shí)機(jī)選擇有指導(dǎo)意義。VR技術(shù)在術(shù)中導(dǎo)航方面展現(xiàn)巨大優(yōu)勢，能真實(shí)、立體地還原病人個(gè)體的解剖結(jié)構(gòu)，明確曲張血管的精確位置、直徑、形態(tài)等。術(shù)者通過VR沉浸于虛擬的三維環(huán)境，直觀、立體、個(gè)體化地評(píng)估病人情況，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、任意組合、透明化VR模型等操作，并對術(shù)中關(guān)鍵血管操作實(shí)時(shí)導(dǎo)航，指導(dǎo)手術(shù)操作。筆者團(tuán)隊(duì)近期的研究結(jié)果表明，三維可視化VR模型對胃左靜脈顯示率為100%，胃短靜脈為75.51%，胃后靜脈為48.97%，食管旁靜脈曲張為53.06%，胃腎分流為30.61%，脾腎分流為18.36%[16]。

二、對個(gè)體化斷流術(shù)選擇的指導(dǎo)價(jià)值

門靜脈高壓癥斷流手術(shù)治療原則是徹底離斷“有害側(cè)支循環(huán)”，保護(hù)“有效側(cè)支循環(huán)”自發(fā)性分流。2014年1月至2020年1月本科室收治的56例門靜脈高壓癥手術(shù)病人臨床資料，參照Sarin分型結(jié)合曲張血管三維特征分為：A1型15例，A2型16例，B1型11例，B2型9例，C型5例。行非選擇性賁門周圍血管離斷術(shù)16例，選擇性賁門周圍血管離斷術(shù)13例，近端脾腔分流術(shù)聯(lián)合冠狀靜脈離斷術(shù)3例，脾肺固定術(shù)1例，單純脾切除術(shù)23例。術(shù)前三維重建手術(shù)規(guī)劃與實(shí)際手術(shù)相一致并獲得滿意的效果。平均手術(shù)時(shí)間為(4.27±1.15)(2.1～6.2)h，術(shù)后隨訪1年均未出血。

A2型[17]門靜脈高壓癥病人三維可視化VR模型顯示，食管旁靜脈系統(tǒng)溝通門靜脈與奇靜脈，有效降低門靜脈系統(tǒng)的壓力，為“有效側(cè)支循環(huán)”，術(shù)中應(yīng)予保留，因此需行選擇性賁門周圍血管離斷術(shù)。A1型門靜脈高壓癥病人三維可視化VR模型顯示，曲張血管主要來源于胃左靜脈前支。術(shù)中應(yīng)結(jié)扎、離斷胃左靜脈，因此應(yīng)行非選擇性賁門周圍血管離斷術(shù)。因B1型、C型病人曲張血管主要來自胃短靜脈及胃后靜脈，而胃后靜脈通常與膈下靜脈形成胃腎分流，發(fā)出胃壁穿支匯入胃底血管，術(shù)中則應(yīng)盡量保留。因此，術(shù)中離斷胃后血管應(yīng)貼近胃壁，同時(shí)離斷進(jìn)入胃壁的穿支血管。B2型多見于區(qū)域性門靜脈高壓癥，胃左靜脈參與形成胃底靜脈曲張，多為向肝性血流，因此術(shù)中需保留。

三、對個(gè)體化分流術(shù)選擇的指導(dǎo)價(jià)值

術(shù)前如何精確評(píng)估臨床常見的近端脾腔分流術(shù)是否符合分流條件？術(shù)前構(gòu)建三維可視化VR模型可清晰顯示和準(zhǔn)確評(píng)估脾靜脈直徑、脾外路徑及長度。筆者團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果顯示，術(shù)前構(gòu)建門靜脈海綿樣變病人三維可視化模型，可清楚顯示門靜脈主干，可見多條迂曲擴(kuò)張的靜脈和增粗迂曲的脾靜脈及屬支(見圖1)。肝門區(qū)側(cè)支循環(huán)代償良好、入肝血流量較大的病人具有施行分流術(shù)的手術(shù)條件。三維可視化模型測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)近端脾靜脈直徑＞1 cm，主干在胰腺外行程＞1.5 cm，則具備脾腔分流血管吻合條件。巴德-基亞里綜合征 (Budd-Chiari綜合征)病人的肝靜脈流出道梗阻常合并肝內(nèi)分流道，肝靜脈通過肝左靜脈與膈靜脈回流入腔靜脈系統(tǒng)。術(shù)前如未發(fā)現(xiàn)上述情況，術(shù)中易損傷該側(cè)支通路。術(shù)前構(gòu)建三維可視化、VR模型，可清楚顯示該側(cè)支循環(huán)及行程。對肝靜脈完全阻塞型巴德-基亞里綜合征病人，術(shù)前存在分流量較大的胃腎自發(fā)性分流，且部分病人有反復(fù)發(fā)作的肝性腦病，因此應(yīng)避免行分流手術(shù)，可選擇脾肺固定術(shù)[18]。

圖1 門靜脈海綿樣變病人術(shù)前三維可視化模型[5]

展 望

在精準(zhǔn)外科時(shí)代，數(shù)字智能化診療技術(shù)應(yīng)用于門靜脈高壓癥的術(shù)前評(píng)估和個(gè)體化分型，對門靜脈高壓癥的個(gè)體化手術(shù)方式及時(shí)機(jī)選擇具有重要指導(dǎo)價(jià)值。數(shù)字智能化技術(shù)將解剖數(shù)字化、診斷程序化和手術(shù)個(gè)體化有機(jī)結(jié)合，推動(dòng)門靜脈高壓癥外科向個(gè)體化、精準(zhǔn)化、智能化的方向發(fā)展[19]。隨著數(shù)字智能化技術(shù)及其診療體系在臨床應(yīng)用方面的不斷完善，門靜脈高壓癥的診療體系將會(huì)發(fā)生革命性變化。數(shù)字智能化技術(shù)不斷提高門靜脈高壓癥病人外科療效和遠(yuǎn)期生存率，具有極大的臨床應(yīng)用遠(yuǎn)景。