三維可視化技術在原發性肝癌外科手術中的應用

陳昭碩，林科燦，劉景豐

1 福建醫科大學附屬腫瘤醫院 肝膽胰外科，福州 350014； 2 福建醫科大學附屬第一醫院 肝膽胰外科，福州 350004

原發性肝癌(以下簡稱肝癌)是全世界范圍內常見的惡性腫瘤之一，在2018年全球惡性腫瘤發病率中排名第6位，是第4位腫瘤致死原因[1]。我國肝癌發病人數和死亡人數均占全球一半以上[2]。隨著近些年來以外科手術為主的綜合治療的不斷發展，肝癌患者的預后取得明顯改善[3]。肝臟的脈管系統(肝動脈、肝靜脈、門靜脈和膽道系統)十分復雜，以往外科醫師需要依靠CT、MRI等非立體的斷層影像信息，在頭腦中整合立體的三維印象，然而受限于個人臨床經驗和三維重構能力不同，往往存在不確定性。1998年，Marescaux等[4]首次使用三維可視化技術描繪肝臟脈管系統。此后，三維可視化技術不斷推廣與發展，革命性實現術前即可清晰、直觀掌握肝癌的三維解剖和形態特征的診療模式[5]。以三維可視化、3D打印、虛擬現實(virtual reality，VR)、增強現實(augmented reality，AR)、吲哚菁綠(indocyaninegreen，ICG)分子熒光影像、多模圖像實時融合導航肝切除術等技術為代表的數字智能化技術的出現，為肝癌精確診斷、術前規劃、術中導航的實施提供了全新的方法。

1 三維可視化技術在肝癌術前規劃中的應用

肝臟具有復雜的脈管系統，術前準確判斷肝血管、膽管的變異能夠影響手術決策、減少術中重要管道的損傷以及降低術后并發癥。方馳華等[6]研究納入我國7家醫療中心的1665例肝癌手術患者，通過三維可視化分析顯示肝血管變異率高達53.2%，且術中所見肝動脈、門靜脈及肝靜脈的變異情況與術前三維可視化一致。三維可視化技術還可準確、直觀地評估門靜脈變異情況[7]，確定斷肝平面，規劃門靜脈重建，提高手術安全性。三維可視化技術可進行術前殘肝體積計算及虛擬仿真手術，通過充分而詳實的術前規劃，有效減少肝切除術后并發癥。研究[8-9]顯示，1025例應用三維可視化技術的肝癌肝切除患者的術后肝衰竭發生率為3.7%，圍手術期病死率為0.59%；5家醫療中心876例應用三維可視化技術的肝癌肝切除患者的術后肝衰竭發生率為1.5%，圍手術期病死率為4.1%。Okuda等[10]發現肝內膽管癌患者行術前三維重建，有利于提高術中切緣的陰性率。結合新興的3D打印技術，可將三維可視化圖像通過逐層打印的方式構造出個體化的立體物理模型，實現空間維度跨越式轉變。2013年，Zein等[11]首次報道3D打印技術在肝癌手術中的應用。3D打印模型最實質性的優點在于可以帶入手術室，在手術過程中與真實肝臟進行比較，并調整最佳解剖位置以識別肝內管道結構[12]。Xiang等[7]報道3D打印技術能夠準確識別門靜脈的變異，進行保留來自門靜脈右前支的Ⅳ段分支的右半肝切除術，有效防止術后Ⅳ段缺血，避免術后肝功能失代償。對于需行血管重建的復雜性肝臟手術，3D打印最大的優勢是血管重建關鍵區域的立體可視化、血管浸潤需切除長度的預估和重建方案的制訂[13]。近年研究[14]顯示，最新的3D生物打印模型由生物材料和肝細胞共同組成，具有生物相容性、可擴展性和成本較低的優勢。這些模型將在肝生物工程，甚至模擬人工肝等方面發揮至關重要的作用，為肝衰竭患者帶來新的曙光。

2 VR技術在肝癌術前規劃中的應用

VR技術是計算機軟硬件技術、傳感技術、人機接口技術及人工智能等科學領域飛速發展的結晶。在三維可視化技術的基礎上，VR技術可創建一個虛擬的三維立體環境，手術醫師可在術前通過頭戴式眼鏡對虛擬環境中的3D模型進行全方位、多角度觀察，再對模型進行縮放、旋轉、透視化、刪減處理，使術者能夠立體、清晰、精準地了解腫瘤的位置及其周圍血管的關系，實現對肝內外病灶的精確定位[15]。VR技術提供的虛擬手術場景，使術者可以在模擬真實手術，反復練習，尋求最佳的手術路徑，同時有助于手術組成員進一步熟悉手術步驟，從而縮短手術時間，減少術中出血及損傷。Sampogna等[16]研究顯示，術前行VR模擬手術的肝癌患者，術中出血量、手術時間明顯減少。Mise 等[17]研究發現，術前進行三維重建及VR虛擬肝切除的肝癌患者，解剖性肝段切除率高于對照組，雖然整體上兩組的5年總生存期及無進展生存期無統計學差異，但是在肝功能儲備差(ICG 15 min滯留率>10%)的肝癌患者中，行VR虛擬肝切除患者的無進展生存期明顯優于對照組。也有報道[18]針對巨塊型肝癌患者術前進行三維重建并轉化為VR模型，能夠最大程度防止術中血管損傷，預防術后殘肝不足所致的肝衰竭。然而，在臨床現實中，患者的呼吸運動、術中體位等因素均可能引起術中形變。因此，僅僅依靠VR技術無法實現術中精確實時導航。

3 AR技術在肝癌術中導航的應用

AR技術由VR 技術的基礎上發展而來，主要包括三維重建、顯示、跟蹤和配準技術，與前述技術的主要區別是配準技術。配準是將虛擬圖像和真實圖像中的相應數據點鏈接到一個坐標系中的過程，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的技術[19-20]。2014年，Beat Müller-Stich 教授團隊[21]首次利用腹腔鏡技術結合AR術中導航切除肝腫瘤，AR圖像與腹腔鏡圖像匹配較好，手術進展順利，患者無術后并發癥出院。Phutane等[22]基于AR技術的手術導航系統，使外科醫生通過佩戴光學透視式頭戴式顯示器(optical see-through head-mounted displays，OST-HMD)獲得融合圖像，將虛擬解剖結構與術中真實場景相結合，精確定位肝內腫瘤及關鍵部位，從而減少術中出血，縮短手術時間。與骨科和神經外科的剛性手術導航不同，肝臟為非剛性結構，腹腔鏡術中氣腹、呼吸運動、心跳和手術操作導致的術中形變均顯著影響AR術中導航的準確性[23-24]。為此，近年來國內外專家在該領域付出不懈探索和努力。在開放手術方面，Okamoto等[25]通過增加3D攝像機、立體顯示器和OST-HMD的運用，完成了包括右半肝切除術、尾狀葉切除術、膽總管切除術及肝管-空腸吻合術，實際切除線與術前預設切除線之間的誤差約為5 mm，極大改善了手術準確性的手術時間。Tang等[26]應用基于AR的術中導航系統及肝臟3D打印模型，完成1例肝門部膽管癌的肝切除及淋巴結清掃術，術中導航系統能夠精確定位手術區域，提高手術安全性與準確性。而腹腔鏡手術及機器人手術相比開放手術具有更寬廣的視野及更少的術中形變，使AR術中導航運用的更加廣泛。Bertrand等[27]使用新興的AR軟件——Hepataug，將一個可變形的術前模型半自動地覆蓋到腹腔鏡圖像上，能夠有效減少術中形變，已順利開展了17例腹腔鏡肝切除手術。Zhang等[28]通過自主研發的3DLARN(腹腔鏡AR導航系統)，通過融合術前3D模型實現了腹腔鏡解剖性肝切除的實時導航，將85例患者分為術中導航組及非術中導航組，結果證實前者出血量、輸血率及住院時間均較后者明顯減少。最近一項研究[29]表明，在腹腔鏡半或Ⅷ段肝切除術中采用可變形的模型重合實現AR術中導航，可精確定位腫瘤，此外AR導航系統還發現2例腹腔鏡超聲無法顯示的微小腫瘤。相比腹腔鏡手術，機器人肝切除具有3D成像、多倍放大和顯著提高的靈活性等優點，聯合AR術中導航更是如虎添翼。Pessaux等[30]在機器人肝切除術中使用AR的透明可視化功能行Trocar孔設置，每個Trocar孔均根據患者的解剖、變異和目標病灶設置，爭取達到最合適操作平面，同時AR術中導航能夠協助在整個手術過程中準確、安全地識別肝內血管、膽管；研究中所有病例均未使用第一肝門阻斷，且均無圍手術期輸血。此后，Bari等[31]也報道了類似結果，AR術中導航在機器人的腔鏡視野中可以清晰顯示腫瘤的安全切緣，術前重建的三維模型的覆蓋也有助于在切肝過程中識別血管和膽管，最終所有病例的腫瘤切緣寬度均達到1 cm，且術后均無并發癥。

4 ICG分子熒光成像技術在肝癌術中的應用

ICG作為一種理想、高效的成像介質，利用其熒光特性，可以使癌組織與正常組織形成光強對比，以識別肝表面病灶，同時也能檢測到切緣殘留小病灶和靜脈癌栓，有利于降低術后腫瘤復發及轉移的風險[32]。Meta分析[33]顯示，與使用傳統手術方式的對照組相比，ICG分子影像技術組輸血率、術后并發癥發生率降低，切緣陰性率提高。三維可視化技術與ICG分子熒光成像技術相結合，應用于肝癌術前診斷和術中導航，可以真正實現解剖性、功能性和根治性肝切除術[34]。三維可視化技術提高ICG染色滿意度的優勢主要是由于其可以清晰顯示肝內脈管走向，有利于術者確定癌灶的累及范圍，直觀了解荷瘤肝段門靜脈的分布，也能更精準地選擇計劃穿刺點，進而提高染色滿意度[35]。王曉穎等[36]利用三維可視化技術引導門靜脈穿刺ICG熒光染色，結合腹腔鏡超聲，共同完成腹腔鏡解剖性肝段切除術，有效提高了肝切除的安全性和精確性。方馳華教授團隊[37-38]結合AR技術，選擇肝上下腔靜脈窩和膽囊底部，同時結合肝邊緣形狀作為導航圖像配準的標記點，較好地改善了術中形變和氣變的問題，實現將三維可視化技術、ICG分子熒光成像技術和AR術中融合的精準肝切除術。研究結果顯示，相比于對照組，導航組在減少手術出血量、降低術中輸血率和縮短術后住院天數方面具有明顯的優勢。

5 三維可視化技術在肝移植中的應用

肝移植是肝癌根治性治療手段之一，尤其適用于肝功能失代償、不適合手術切除及局部消融的早期肝癌患者。對于兒童肝移植，由于基礎供肝短缺以及大部分因病逝捐獻的供肝肝體對兒童受者而言相對較大，導致兒童肝移植等待時間較長，死亡風險也相應增加，因此，活體肝移植一直是兒童肝移植領域的重點研究方向。在活體肝移植中，對移植物的大小匹配以及對供受者肝血管解剖的精確評估是保證手術成功及供者安全的關鍵因素。研究[39]顯示，活體肝移植前應用三維可視化技術行病肝體積計算、肝前后徑測量，結合供者肝臟三維重建情況綜合制訂供者移植物切取方案，能夠最大程度避免出現移植物受者不匹配問題。在活體肝移植中使用3D打印的物理模型來模擬供、受者手術，可以幫助術者掌握移植物的大小、厚度以及血管解剖，縮短手術時間，提高手術成功率[40]。Mise等[17]提出在供體選擇上可根據3D成像信息進一步優化，包括根據供體血管解剖變異進行相應的靜脈重建，從而提高手術的安全性。三維可視化技術結合前述的ICG分子熒光成像技術，一方面可用于膽道成像，經膽囊管斷端注射ICG，可獲得清晰的膽道解剖圖像，指導供者和受者的膽管-膽管吻合，以降低術后膽漏、膽管狹窄等并發癥發生率[41]；另一方面可用于評估重建后血管通暢性及移植肝肝功能的恢復情況，因ICG經靜脈注射后可迅速與血漿蛋白結合而分布于全身血管，有助于評估重建后血管的通暢情況。肝移植術中經外周靜脈注入ICG，術后如在肝外膽管檢測到ICG近紅外光影像，則表明移植肝肝細胞開始正常分泌膽汁[42]。

6 小結與展望

隨著數字智能化時代的發展，三維可視化技術在肝癌的診斷、治療方案的選擇、術前規劃、術中導航及肝移植等方面體現了無可比擬的優越性。然而，三維可視化技術仍存在一定局限性，例如在一些復雜病例中，巨塊型肝癌常推擠、壓迫第二肝門，導致對應的肝靜脈在薄層CT掃描時顯示不全，原始數據的缺失也將影響術前評估及術中導航的準確性。未來可在人工智能大數據的算法下，補全缺失數據，提示靜脈可能的走行路徑，實現精準化、智能化肝切除。目前，AR術中實時導航的形變及氣變也是亟待解決的難點問題，未來有望通過增加配準標記點[25]、升級處理軟件[27,43]、術中聯合CT建模[44]等方式，進一步推動AR術中導航的應用與發展。總而言之，以三維可視化技術為代表，聯合AR、ICG 分子熒光成像技術可實現多模式、相互驗證、互補不足的手術導航方式，將徹底改變傳統二維圖像指導下的手術方式，進一步推動肝膽外科個體化、微創化、精準化發展。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：陳昭碩負責文獻檢索，數據收集與整理，論文初稿撰寫；林科燦負責論文初稿撰寫，審閱與修訂；劉景豐負責擬定方向，論文審閱與修訂。