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)計模型系統(tǒng)(FreeFormModeling System)二次開發(fā),進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垂直的碾磨機,F(xiàn)inePix S2 Pro數(shù)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),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行灌注。選擇灌注效果最好的一號肝臟標(biāo)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(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垂直的碾磨機,磨盤直徑40mm,轉(zhuǎn)速850 T/min,進行連續(xù)等間距0.2 mm削切,使用富士FinePix S2 Pro數(shù)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(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,利用包埋時預(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)志物相對位置不變的特征對圖像進行配準(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(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(nèi)管道結(jié)構(gòu)的分布、走行,根據(jù)臨床手術(shù)原理,設(shè)計和確定切除平面。
③ 切開肝實質(zhì):激活肝臟模型,定義其力反饋強度大小,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,定義其力反饋強度的大??;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(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,定義其力反饋強度;使用PHANTOM操縱“手術(shù)刀”,按照確定的計劃由淺入深分步驟、分層次切開肝實質(zhì),在遇到經(jīng)過斷面的管道結(jié)構(gòu)時,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)定好力反饋強度大?。皇褂肞HANTOM操縱“手術(shù)刀”進行切割;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、肝動脈細小,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。
2.3 肝臟圖像的分割
根據(jù)需要對感興趣區(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進行平滑和去噪后,形態(tài)逼真。在FreeForm Modeling System中可對模型任意放大、縮小、旋轉(zhuǎn),進行全方位觀察。
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,交互性好??梢允褂昧Ψ答佋O(shè)備PHANTOM對立體肝臟模型進行隨意放大、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,對肝臟模型進行單一平面或隨意切割,并且在切割時實現(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,而且計算機容易識別。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)合力矩法,使相鄰圖像的質(zhì)心能夠更加接近,進一步提高了配準(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(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的邊緣檢測算法,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與重點。利用數(shù)字化數(shù)據(jù)集進行的肝臟三維重建,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),也為進一步進行肝臟手術(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)實和增強現(xiàn)實相結(jié)合,甚至聯(lián)合手術(shù)機器人在臨床成功應(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。本研究利用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)主要是針對模擬肝臟切除手術(shù)等方面的功能需求,利用計算機等技術(shù)對二維醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進行分析和處理,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)進行模擬。雖然如此,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)用先進的64層螺旋CT進行國家高技術(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)進行圖像融合(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),以達到提高手術(shù)安全性、減少并發(fā)癥、降低醫(yī)療費用的目的。