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环彩网辅助外科手术概念及临床应用

       计算机辅助外科手术(Computer assisted surgery或Computer aided surgery,CAS)是一个新的外科手术概念,指利用计算机技术进行手术前规划,并指导或辅助进行外科手术。一般认为CAS包括:1. 创建虚拟的患者的图像;2. 患者图像的分析与深度处理;3. 诊断、手术前规划、手术步骤的模拟;4. 手术导航;5. 机器人手术。

       在传统的外科手术中,手术医生根据不同的病情依据其经验形成大致的手术方案,然后在实际手术中进行不断修正,直至手术完成。这种手术方案依赖于医生个人的临床经验与技能,考虑到术中可能会发生解剖结构改变或其他突发事件,因此手术效果具有较大的随机性和不确定性。随着医学图像设备的进步,疾病的诊断已经实现了数字化。为了有效地将这些设备提供的信息与外科医生的主动性结合起来,在1986年,日本、美国和瑞士几乎同时开发了由交互式二维CT机组成的导航设备,这成为最初的CAS。CAS的出现要归功于立体定位技术和成像技术的发展,以及将二者结合的尝试。

       数字医学技术在临床医学应用领域的延伸以及CT、MRI和PET-CT等医学图像获取设备的应用,催生了一个全新的手术模式——外科精准手术。在外科精准手术模式下,通过现代计算机技术的虚拟现实技术,可建立个体化的人体病理结构模型和用于术式及具体手术方式评估的虚拟手术模型。主刀医生先将其构思的手术方案输入计算机,结合采集到的术前医学影像信息,经计算机系统等处理后形成三维图像,利用医学图像数据和虚拟手术系统合理定量地制定个体化、精密的手术方案,这对选择最佳手术入路、减小手术损伤、避免对临近组织的损害、提高病灶定位精度、执行复杂外科手术和提高手术成功率等十分有益。外科精准手术具有精细的术前决策、精密的手术方案、精确的手术模拟、精准的手术操作等特点,可安全、准确、彻底地实现手术目的,达到完美的手术效果。实施外科精准手术,除需相关医学影像设备和能进行虚拟现实人机交互的计算机系统外,还需配备术中导航与术中监护等设备,以便将计算机处理的三维模型与实际手术进行定位匹配。如果手术使用了其他成像手段(如内窥镜、B超或床边CT等),则需将实时观测的图像与术前的医学图像进行匹配融合定位,引导术者进行手术。立体定位系统就是确定目标空间位置的系统,可以实时获得目标在其测量范围内的三维坐标,连接图像信息和手术目标,是虚拟到现实的桥梁,直接关系到CAS系统的精度和手术的成败。

      计算机辅助手术系统是世界各国在数字医学领域竞相研究的热点和难点课题。目前,国际上许多有实力的IT公司纷纷涉足数字医学领域,如日本富士公司已将“医疗/生命科学事业”确定为集团今后的重点发展领域,致力于成为一家覆盖“预防—诊断—治疗”全领域的综合性医疗健康企业。在医学影像信息方面,富士胶片在业内率先提出了基于Web技术的PACS(Picture Archivingand Communication System,医学图像归档和通信系统),研发出了具有划时代意义的FUJ ISYNAPSE,可对来自CT、MRI和CR等各种数字医疗图像诊断设备产生的影像信息进行电子化保存和分析,并辅助指导手术。飞利浦公司等利用3D地图为医生提供关于脑部的详细信息,利于医生做出正确的判断。美国麻省理工大学David开发的图像引导手术软件系统3D Slicert已经通过美国FDA认证。德国莱比锡Falk等运用三维图像重叠技术,将术前获得的三维影像重建成的冠状动脉模型与机器人辅助冠状动脉搭桥手术中的视觉图像重叠,除了能在术前进行规划,还能在术中进行导航,对术前规划方案进行调整,获得最佳的手术效果。另外,美国的EDDA、德国的Julius和法国Intrasense SAS公司的计算机辅助手术软件也较为广泛地应用于临床。

       这种应用在我国肝胆外科领域和骨科领域均有探索。南方医科大学方驰华教授和解放军总医院董家鸿教授分别联合影像学专家和计算机专家等组成团队,开发完成了腹部医学图像三维可视化系统,对患者肝胆胰等器官的断层CT个体化数据进行快速自动分割和三维重建为实时图像,观察患者病灶、肿瘤与内部动脉、静脉和胆管等管道系统的详细毗邻关系,并通过三维重建模型进行仿真手术,在可视化虚拟环境下,进行术前手术预设、术中指导手术等研究。广州军区总医院尹庆水教授领导的研究团队,将计算机辅助快速成型技术应用于高难度、复杂的骨科手术,以提高手术的成功率,使手术更精确、更安全。

       手术演练和解剖教学领域的数字医学应用:虚拟手术系统为年轻外科医生和医学生提供了一个极具真实感的虚拟手术环境,操作者可在其中重复练习或观察、模仿专家手术过程,设计、预演和修正手术的整个过程,以便事先发现术中问题,避免由于人为因素引起手术失误。

       现阶段数字解剖模型软件的研发有如下特点:由单一的结构器官辨识向系统解剖方向发展,由平面显示向三维方向发展,由“只能看”向“还能动”的虚拟解剖方向发展。随着力反馈器械的研制成功和完善,外科医生和医学生可以通过数字解剖模型软件和力反馈器械随时进行人体或手术部位的虚拟解剖和演练,而不用受到伦理约束和标本匮缺的影响。

       除了临床应用外,CAS 系统还可以用于教学。配合虚拟现实(Virtual Reality)和增强现实(Augmented Reality)技术,外科医生或医学院学生可以进行模拟手术。在手术器械上加上反馈装置,受训者不但可以从虚拟眼镜中看到手术部位,还可以感觉到虚拟患者的肢体和器官。通过训练,医生可以提高手术技巧,积累手术经验。医学生不用担心在虚拟手术中犯错误,可以对照手术记录反复操作直到熟练掌握。这些都降低了成本,提高了医务质量。 CAS目前的应用主要集中在刚体手术上,并使用刚体手术器械。对一些软组织器官的手术(如肝手术),或可变形器件(如纤维内窥镜的定位),是CAS的发展方向之一。目前CAS主要使用CT、MRI和PET-CT等图像。而超声图像是医学中使用广泛的图像模式,对超声图像的配准,以及通过插值配准其它低分辨率图像,将有力推动CAS的发展。

海信计算机辅助手术系统的研发及临床意义

       由青岛大学医学院附属医院董蒨教授领衔的国家“十二五”科技支撑计划课题“小儿环彩网肿瘤手术治疗临床决策系统开发”团队,与海信集团数字多媒体技术国家重点实验室医疗电子研究所合作,成功研发出了“海信计算机辅助手术系统”(Hisense Computer Assisted Surgery System)。通过独自开发的医学图像预处理和分割技术,只需在一幅图像上设定相应参数和少量人工辅助,系统就可以自动精确地在一系列CT图像上分割出环彩网、血管、肿瘤和胆囊等环彩网各组织。然后,通过滤波、插值、形态学、模式识别等算法处理分割结果,追踪环彩网三期图像上肝动脉、门静脉和肝静脉的血管走形,并利用三维配准算法对三期环彩网数据进行立体配准,精确地三维重建环彩网、肿瘤、三种血管和胆囊等器官。它可以三维观察病变与血管、脏器的关系,可以精确计算脏器、病变体积和门静脉、肝静脉各分支的供血区域,还可以实施虚拟手术切除,确定最佳手术切除线。这些功能可以帮助医生了解环彩网肿瘤病灶与肝内管道系统的相互关系、进行术前的切除可行性分析及手术规划。从而最大限度地保留正常肝组织,极大减少手术出血量,降低术后患者肝功能衰竭的风险。由于本系统最初是基于小儿环彩网肿瘤的研究,而小儿环彩网血管支的精细则要求该系统计算机算法更加精准和细致,因此决定了Hisense CAS是可以广泛应用于成人和儿童的、具备良好的实用性高品质计算机手术辅助系统。

       课题在3-D导航立体模拟手术系统研发成功的基础上,将在国际上首次将中国各年龄阶段儿童和成人环彩网进行数字化虚拟测量,建立中国儿童环彩网数据库和小儿环彩网肿瘤立体模拟手术系统。相信作为产学研合作典范的Hisense CAS的成功研发和广泛临床应用,将为我国切实推动现代医学向个性化、精确化、微创化和远程化发展,为我国的数字医学技术的大踏步前进做出贡献。