肝臟三維重建模型在外科研究生肝臟手術教學中的應用

劉文宇，王震，李剛

肝臟由肝實質和一系列管道結構組成，其脈管系統復雜，肝動脈、門靜脈、肝膽管的各級分支組成的格利森（Glisson）系統和肝靜脈系統將肝臟分成“五葉八段”，每個肝段為功能和解剖上的一個獨立單位［1］。肝段解剖及肝內管道走行是醫學生學習的難點。手術圖譜、器官模具、尸體解剖、手術錄像等傳統教學方式雖然可以使醫學生初步掌握肝臟解剖知識，但對于需進一步深入理解多種肝臟手術的研究生尚不足夠。計算機輔助三維定量分析及模擬手術系統可精確定位肝臟腫瘤，計算殘余的功能性肝臟體積，明確腫瘤鄰近的血管解剖關系，最終輔助設計最優化的手術方案［2-3］。本研究以肝臟三維重建模型為基礎，對外科研究生進行肝臟外科手術教學，取得了更佳的教學效果?，F報道如下。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取2018 年2 月至2020 年6 月在海軍軍醫大學第一附屬醫院肝膽外科進行輪轉學習的外科研究生。納入標準：（1）年齡超過22 歲；（2）自愿參與研究。排除標準：（1）中途因自身原因退出研究者；（2）既往接受過三維可視化及虛擬手術訓練者。根據納入標準和排除標準篩選出60 名外科研究生為研究對象，其中包含8 名肝膽外科研究生、18 名肝膽外科以外的普通外科研究生、34 名其他專業外科研究生，以學號為基礎，采用系統隨機化法將其平均分配至實驗組和對照組，每組30 名，各包含4 名肝膽外科研究生、9 名肝膽外科以外的普通外科研究生和17 名其他專業外科研究生。實驗組年齡為（25.3±2.1）歲，對照組年齡為（25.5±1.8）歲；2 組研究生在年齡、性別及日常成績等方面比較差異均無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。

1.2 建立樣本庫

收集2018-2019 年海軍軍醫大學第一附屬醫院肝膽外科收治的肝臟腫瘤患者病歷資料，包括患者的基本信息、結構化病歷、術前重要化驗報告、肝臟腫瘤的常規影像（CT、MRI）、肝臟三維重建影像、手術影像資料（手術錄像、手術照片、標本照片）、手術記錄、術后病理、術后并發癥情況等。每位患者的臨床資料分別歸檔。

1.3 教學實施

1.3.1 對照組的教學實施 以《系統解剖學》《局部解剖學》及《外科學》等教材對學生進行理論授課，利用CT、MRI 等影像學資料講解肝臟的解剖結構、肝臟常見良性及惡性腫瘤的臨床表現、診斷及鑒別診斷、治療原則等。然后結合具體患者病情行病例分析，主要包括：患者的臨床表現、實驗室檢查、診斷及鑒別診斷、手術方式的選擇、術中及術后需要注意的要點等，教學的主要方式為PPT 授課、觀看肝臟模型、肝臟手術視頻以及手術參與。

1.3.2 實驗組的教學實施 在對照組理論授課的基礎上，進行CT、MRI 影像學資料的分析，在肝臟三維重建影像資料的基礎上進行病例及影像學的分析討論，具體內容包括肝臟形態、大小，肝臟的分葉分段，出入肝臟的脈管系統結構及解剖變異，肝臟占位的大小、位置，與重要管道之間的毗鄰關系等，并應用該軟件進行虛擬肝臟切除，通過不同角度觀察肝臟斷面走形以及需要離斷或及保留的重要管道系統，最后結合手術錄像對學生進行講解。此外，將三維重建影像資料與CT、MRI 等二維影像資料進行對比分析，幫助學生由二維向三維構建心理圖像。

1.4 評價體系

1.4.1 手術路徑模擬測試 采用論述題試卷進行測試。從樣本庫中隨機選擇病例，要求學生對手術路徑進行論述，其內容包括提出手術方案、術前準備內容、術中注意事項、術后并發癥防治；詳細論述手術過程，包括手術入路、切除范圍、斷肝技巧、血管處理（需指出重要血管的具體名稱）、斷面處理、放置引流等?？偡?00 分，由3 位肝膽外科導師進行審核評分，取平均分為最終成績。

1.4.2 二維影像分析測試 從樣本庫中隨機選擇病例，學生CT 或/和MRI 讀片后給出診斷、診斷影像學依據、鑒別診斷、腫瘤所在肝段、與重要血管的毗鄰關系，并在肝臟模型教具上指出腫瘤所在的具體位置。由肝膽外科高年資主治醫師進行考核，總分100 分。

1.4.3 調查問卷 內容包括是否有助于提高手術規劃能力、是否有助于提高二維影像讀片能力、是否有助于理解肝臟解剖、是否有助于激發學習興趣、是否有助于提高學習效率、是否對教學方法滿意等方面。

1.5 統計學處理

采用SPSS 16.0 統計軟件進行數據分析。計量資料指標采用±s表示，組間比較采用t檢驗；計數資料采用百分比（%）表示，組間比較采用χ2檢驗。P＜0.05 表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 實驗組與對照組手術規劃能力測試比較

培訓前2 組手術規劃能力考試成績比較差異無統計學意義（P＞0.05）；培訓后，實驗組成績明顯高于對照組，差異有統計學意義（P=0.002）。見表1。

2.2 實驗組與對照組影像分析能力測試比較

培訓前，2 組影像分析能力考試成績比較差異無統計學意義（P＞0.05）；培訓后，實驗組成績明顯高于對照組，差異有統計學意義（P=0.004）。見表1。

表1 實驗組與對照組研究生培訓前后成績比較（分，± s）

表1 實驗組與對照組研究生培訓前后成績比較（分，± s）

注：與同組培訓前比較aP＜0.05；與培訓后對照組比較bP＜0.05

組別實驗組對照組例數30 30手術規劃能力培訓前73.45±3.70 73.51±3.01培訓后82.85±4.05ab 79.87±2.82a影像分析能力培訓前73.13±3.21 71.98±3.46培訓后82.92±3.21ab 80.50±3.06a

2.3 培訓后實驗組各專業研究生之間成績提升情況比較

進一步分析實驗組各專業研究生之間成績提升情況，計算每名研究生培訓前后考試成績差值，按研究生的不同專業進行比較。手術規劃能力和影像分析能力方面，肝膽外科研究生成績提升值高于另外2 種類型的研究生，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表2。

表2 培訓后實驗組不同專業研究生成績提升情況比較（分，± s）

表2 培訓后實驗組不同專業研究生成績提升情況比較（分，± s）

注：與肝膽外科研究生比較aP＜0.05

組別肝膽外科除肝膽外科的普通外科外科其他專業影像分析能力15.58±1.57 9.78±4.24a 8.45±4.31a例數49 17手術規劃能力16.25±4.76 8.14±5.72a 8.36±4.18a

2.4 問卷評價結果分析

調查問卷共發放60 份，收回60 份。結果表明，實驗組研究生認為該教學法有助于提高手術規劃能力、二維影像讀片能力和理解肝臟解剖，能夠激發學習興趣，提高學習效率；而對照組學生認為知識難度較大，掌握困難，對所學知識缺乏立體直觀感受，從而不利于對知識的掌握和理解。實驗組研究生對教學方法的滿意度明顯高于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表3。

表3 實驗組與對照組研究生調查問卷結果比較［例（%），每組n=30］

3 討論

臨床解剖學和外科手術教學相結合是使醫學生從理論走向實踐的關鍵。肝臟外科更是如此，因為肝臟擁有多套脈管系統且解剖變異繁多，學生往往需要經歷一個困難的過程才能在心中創建一個肝臟三維立體結構，且學習過程中通常需要借助解剖學教具，如器官模型、大體標本、血管鑄型標本等。但是，臨床學習的學生沒有高年資醫生的手術經驗，很難將解剖知識與二維影像結合應用于臨床實踐中。分析原因后發現，這是因為肝臟是通過脈管的空間三維走形進行分葉分段的，而目前主流的教學方法是前期系統解剖和局部解剖的理論知識加上二維影像圖譜（CT 圖像或者MRI 圖像）。經過多年的教學實踐發現，這種方法不僅效率低下，而且由于學生沒有豐富手術經驗做基礎，因此很難產生肝臟的三維立體概念。傳統教學模具雖然能大致顯示肝臟管道和分葉分段的立體結構，能夠解決一些問題，但一方面教學模具較為昂貴，無法做到每個學生都能有充分的觀摩時間；更主要的方面是，教學模具是一個大致的普通模型，只能大體表現肝臟的解剖學通性，不能反應每個患者的個體化解剖特點。此外，現代精準外科的理念除了要求肝臟外科醫生全面掌握肝臟節段解剖、肝內管道走形外，更重要的是必須了解肝臟內部管道的走向，需具備良好的空間感，能夠精確定位病灶所在肝臟部位，在犧牲最少的肝臟組織的情況下完整地切除腫瘤［4］。目前肝臟外科手術需要通過CT、MRI 定位病灶所在的節段及其與肝內血管的毗鄰關系，評估所需切除的肝臟組織范圍。然而CT、MRI 均為二維影像資料，即使上級醫生通過手術錄像向學生講解手術過程，多數學生仍不能很好地理解肝內解剖，進而導致學生在學習肝臟手術時往往有較大挫敗感，極大地減弱了學習的積極性。

三維可視化技術為破解這一難題提供了新的方法及思路，在計算機上運用三維可視化分析軟件通過CT 或MRI 影像建立肝臟的三維立體影像，可以清晰地顯示該患者肝臟的整體大小、形態、肝內主要管道的走形與分配區域、肝臟占位的大小、位置及與主要管道之間的空間位置關系等，而且可以通過透明化處理、篩選、隱藏等多種操作方法，單獨顯示各管道（靜脈、動脈、膽管）的走形及其分支的分布情況，可以為肝臟外科醫生提供詳細的解剖資料，從而判斷手術是否可行、決定切除的范圍和手術進行的路徑等［5］。如圖1 所示，CT 和MRI 顯示左肝腫瘤靠近第二肝門，與左肝靜脈和中肝靜脈關系密切，很難判斷腫瘤與二者的準確關系，是否需要行左半肝切除，以及行左半肝切除的風險。圖2 及圖3 的三維重建結果顯示：腫瘤與中肝靜脈有明顯距離，腫瘤壓迫左肝靜脈，但沒有侵犯左肝靜脈。同時，體積測量結果如圖4 提示，左半肝體積超過整個肝臟50%，如果切除左半肝，風險較大。所以，臨床團隊很快得出治療方案，行腫瘤完整剜除手術，術后行肝動脈灌注化療。

圖1 某肝臟腫瘤患者的常規影像學檢查結果

圖2 某患者左肝腫瘤與中肝靜脈的關系示意圖

圖3 某患者左肝腫瘤與左肝靜脈的關系示意圖

圖4 某患者左肝腫瘤與肝臟各部分體積精確測量結果

已有研究表明，三維可視化技術可幫助手術醫師進行精準的術前規劃，同時提高了手術效率及安全性［6］，而且也給肝臟外科手術教學水平的提升帶來了更多的可能性［7-8］。此外，外科研究生經過肝膽外科輪轉，具有一定的解剖學基礎、CT 和MRI 讀片經驗和手術體會，為完成此次研究奠定了基礎。三維可視化技術可以顯示腫瘤的大小，定位腫瘤所在空間位置，顯示腫瘤與血管的解剖關系，確定肝臟切除范圍，明確切斷與保留的血管，使得學生對手術方案更能理解［6］。另外，由于重建圖像還可以讓學生從各個方向對虛擬肝臟進行模擬切除，再對照觀摩真實的手術操作，從而深入理解病灶的空間定位，提高臨床診斷治療能力，并初步培養手術方案的規劃能力［9］。本研究發現，實驗組研究生的手術規劃能力及二維影像讀片能力明顯高于對照組。在此基礎上，本研究創新性地將實驗組研究生按不同專業進行區分，對比不同專業研究生群體之間的手術規劃能力和影像分析能力的提升情況，結果發現肝膽外科專業的研究生對于應用肝臟三維重建技術教學更為敏感，其教學效果優于其他專業研究生。分析原因可能是因為肝膽外科專業的研究生平日接觸和實踐肝臟手術機會更多，結合肝臟三位重建技術可以更好地將其融會貫通，加速理解消化。值得注意的是，實驗組全體同學均認為三維教學方法可以提高對肝臟解剖的理解。同時，運用三維教學方法也可以明顯提高學生的學習效率及興趣。同時，海軍軍醫大學第一附屬醫院肝切除手術大多數都是腹腔鏡或機器人微創完成，手術過程全程錄像，為研究生驗證自己的手術規劃，對照術前術中肝臟解剖提供了極大便利。

但是也應認識到肝臟三維重建技術仍然存在一些不足［10］，如：三維可視化技術為原始CT 或者MRI 圖像的二次加工，存在失真；三維可視化成像不能提高疾病診斷率；三維可視化成像技術要求高，目前多數醫院無法開展，大多需要第三方技術公司實施，增加了費用［11］。二維影像（CT、MRI）、尸體解剖、手術實踐仍是現階段不可代替的教學手段。

綜上所述，肝臟三維重建技術有助于學生掌握肝臟解剖，提高二維影像資料的讀片能力，并能培養手術方案的規劃能力，提高了學生的學習效率，降低了教學難度，是一種優秀的教學工具，但仍需結合傳統教學工具才能使學生的肝臟外科知識體系更加全面。