研究背景传统的实质脏器解剖学研究主要针对固定的尸体标本,由于没有进行灌注,脏器内部管道塌陷,肝脏等实质脏器本身的立体和空间构象改变,所获得的管道数据与活体肝脏管道结构不符。现代影像学(螺旋CT、MRI等)的发展,将移植外科推向了一个新的阶段。虽然如此,但肝脏等实质脏器管道结构的复杂性和变异性仍然是引起手术大出血和器官移植术后管道并发症的关键问题。医学图像可视化和虚拟现实技术进行虚拟脏器及其外科手术的研究为解决这些难题带来了希望。随着计算机技术、图像处理技术、物理学与医学的交叉融合和迅速发展,外科诊断与治疗的手段正在发生着很大的变化。近年来出现的计算机辅助手术系统,虚拟外科手术系统等就是在信息科学迅速发展并应用于医学领域产生的成果。外科医生通过这些先进的技术手段在术前、术中、术后对手术进行辅助支持。使外科手术越来越安全、可靠、精确,创伤越来越小。利用计算机辅助三维重建并进行虚拟手术的研究十分活跃。Raptopouls V.行螺旋CT血管造影三维重建,能同时完成显示门静脉、肝静脉全貌及其复杂的空间解剖结构关系,可直观评价门静脉、肝静脉的位置、管径、阻塞程度及其侧支循环情况。Wigmore SJ则利用螺旋CT肝脏扫描图片进行三维重建,虚拟肝脏切除,评估肝切除手术后肝衰的危险性,从而决定肝脏的切除范围。肝脏3D及其虚拟手术是利用CT, MRI等图像序列进行处理,构造出能显示肝脏各结构的三维几何模型,将看不见的人体器官能以三维形式“真实”地显示出来,即可视化。它的优点是在空间中具有准确的定位,可以立体地从不同角度观察各解剖结构、测量各种数据,促进肝脏临床解剖学的发展,同时虚拟肝脏的各种手术,并可以利用肝癌患者的肝脏及其肿瘤的影像(CT、MRI等)扫描数据进行图像融合和更新,从而使外科医师在计算机上反复进行手术规划,反复演练手术过程并优化手术方案,提高手术技能,提高手术的安全性,降低手术并发症。一数字医学技术在活体肾移植中的临床应用价值目的1.建立肾脏及其血管的腹腔三维模型,了解肾脏及其血管解剖结构及变异特点；2.通过三维重建供受体腹腔三维模型,研究其在指导临床活体肾移植手术中的应用价值；3.建立仿真活体肾移植手术环境,完成活体肾移植手术,研究其在临床手术中的指导作用。方法1.材料(1)16排螺旋CT及其图像后处理工作站；(2)双筒高压注射器及造影剂；(3)高配置计算机；(4) DICOM查看器；(5) ACDSee图片转换软件；(6)MI-3DVS系统(自行研制的医学图像三维可视化系统)；(7) FreeForm Modeling System及其自带的PHANTOM设备。2.研究对象广东省第二人民医院2009年1月至2010年12月5例亲属活体肾移植病例。受体中,男性5例,女性0例,年龄29-50岁,平均36岁,均明确诊断为慢性肾功能不全尿毒症期而首次接受肾移植术。原发病包括慢性肾小球肾炎、慢性肾盂肾炎、糖尿病肾病、IgA肾病等。受者术前均接受血液透析或腹膜透析治疗。供体男性3例,女性2例,年龄46-56岁,平均53岁。供受者关系：父母供给子女3例,子女供给父母0例,兄弟姐妹供肾2例,旁系亲属供肾者0例,妻子供给丈夫0例。供、受体血型情况：5例供、受者ABO血型完全相同。供、受体配型情况：淋巴细胞毒交叉配合试验为阴性。HLA配型情况：1抗原错配者0例,2抗原错配者3例,3抗原错配者1例,4抗原错配者1例,HLA完全错配0例。受者群体反应性抗体检测PRA>10%0例,PRA<10% 5例。3.数据采集将研究对象行16排螺旋CT常规腹部平扫和增强扫描,并在图像后处理工作站将扫描数据(包括平扫期、动脉期、门静脉期、肝静脉期)刻盘存储。4.数据转换将刻录的数据导入个人计算机中,利用DICOM查看器将原始数据的格式转化为BMP格式,再利用ACDSee图片转换软件调整图片大小、顺序等。5.医学图像三维可视化系统(MI-3DVS)分割重建将处理后的CT数据导入自主开发的医学图像三维可视化系统(MI-3DVS)进行程序分割重建,并保存为STL格式。6.平滑和去噪将重建好的各部分STL格式的图像导入到FreeForm Modeling System中,对管道、肾脏进行平滑、去噪,并进一步保存为STL格式。将处理好的各部分再次导入到FreeForm Modeling System软件中,并配以不同颜色。7.肾移植仿真手术将研究对象三维重建后,分别选取活体肾移植供、受体,并将它们导入到FreeForm Modeling System及其自带的PHANTOM力反馈设备中,建立起活体肾移植仿真手术环境,手术步骤包括：左／右肾切取；植肾术(右侧)等。8.肾移植临床手术根据三维重建及仿真手术,进行临床手术。结果1.三维重建5例三维重建的供、受体肾脏、肾动脉、肾静脉等模型清晰,立体感强。各血管走行符合解剖特点。5例中,发现供体肾动脉变异2例,其中1例变异为肾动脉存在副肾动脉,1例存在过早分支,未见肾静脉变异情况。在1例供体动脉三维模型中,供体左右肾动脉均存在变异,左肾动脉自腹主动脉发出后,可见两条分支,为过早分支；右肾动脉自腹主动脉发出后,也存在两条分支,右肾动脉下方发现一支副肾动脉。2仿真手术在FreeForm Modeling System应用系统及其自带的PHANToM力反馈设备中,虚拟出了活体肾移植手术环境,并利用自主开发出的仿真手术刀、仿真手术针及仿真血管钳等完成了活体肾移植可视化仿真手术全部过程。3临床手术临床上,根据三维重建及仿真手术的结果,均顺利的完成了活体肾移植手术。术后供、受体恢复良好,未发生明显并发症。结论1.三维重建肾脏及血管,可用于指导临床活体肾移植手术；2.活体肾移植仿真手术在供、受体血管吻合中具有重要的指导作用。二数字医学技术在背驮式肝移植中的应用研究目的1.建立背驮式肝移植供受体肝脏及其血管的腹腔三维模型,了解肝脏及其血管解剖结构及变异特点；2.通过三维重建供受体腹腔三维模型,研究其在指导临床背驮式肝移植手术中的应用价值；3.建立仿真背驮式肝移植手术环境,完成背驮式肝移植手术,研究其在临床手术中的指导作用。方法1.材料CT扫描仪：PHILIPS BRILLIANCE64排螺旋CT扫描仪,探测器组合为0.625mm×64,荷兰PHILIPS公司生产。余同前。2.研究对象供体：“健康”体检者,男,28岁,身高173cm,体重66Kg,肝肾功能正常,CT提示肝、胆、胰、脾未发现异常,临床未发现肝脏疾病。受体：男,41岁,身高168cm,体重76Kg。肝功能：丙氨酸氨基转移酶(ALT)：287IIU/L,天门冬氨酸氨基转移酶(AST):193IU/L,γ-谷氨酸酰基转移酶(GGT)：57 IIU/L;总胆红素：12.3μmol/l,直接胆红素：7.2μmol/l。CT:肝右叶有一5×4cm的低密度影,未发现其它病灶。甲胎蛋白(AFP):86.42μg/l(0～10.9u g/1),癌胚抗原(CEA):11.45μg/l(0～10μg/l)。3.数据采集将研究对象行64排螺旋CT常规上腹部平扫和增强扫描,并在图像后处理工作站将扫描数据(包括平扫期、动脉期、门静脉期、肝静脉期)刻盘存储。4.数据转换,医学图像三维可视化系统(MI-3DVS)分割重建,平滑和去噪:同前。5.背驮式肝移植仿真手术包括供体肝脏切取术,受体病肝切除术,供肝植入术。结果1.64排螺旋CT扫描共收集供体四期(平扫期、动脉期、门静脉期、肝静脉期)扫描图层均为437张,受体四期扫描图层均为372张。在64排螺旋CT自带的Mxview工作站上对扫描的图像质量进行分析：供、受体肝脏轮廓清晰,断面管道造影剂充填较好,各种血管管道清晰。动脉期：供受体腹主动脉及其各个分支均清楚显示,肝动脉及左肝动脉、右肝动脉以及下属分支均能清楚显示,受体动脉管径较细,追踪动脉走向及动脉与肝实质界限较困难。静脉期：供受体肝静脉主干显示良好,下腔静脉内造影剂充填较均匀。门静脉期：供体门静脉显示良好,受体门静脉系统肝外管道显示良好,肝内门静脉左支显示略差,右支显示良好。2.三维重建程序分割的腹部三维模型重建迅速(供体重建共用时1.5小时,受体重建共用时2小时)。重建后的腹部脏器及管道系统显示清晰、逼真,较有效地模拟了腹部脏器情况,并能任意旋转、放大、缩小、透明化。肝脏透明化后,供受体肝内血管系统解剖结构正常,相互关系明晰。未发现血管的变异。3.仿真手术在FreeForm Modeling System应用系统及其自带的PHANToM力反馈设备中,虚拟出了背驮式肝移植环境,并利用此设备中二次开发出的仿真手术刀、仿真手术针及仿真血管钳等完成了背驮式肝移植可视化仿真手术全部过程,包括供肝切取,受体病肝切除,供肝植入,各步骤符合临床手术过程,并可通过手术刀切割,手术针缝合等手术操作,感受“力”反馈的感觉,真正体验手术的逼真性。结论1.三维重建的背驮式肝移植供受体解剖结构清楚,可指导临床手术方案的制定；2.背驮式肝移植仿真手术,帮助临床医师熟悉手术过程,减少手术失误,提高手术成功率。三数字医学技术在原位肝移植中的应用研究目的1.建立原位肝移植肝脏及其血管的腹腔三维模型,了解肝脏及其血管解剖结构及变异特点；2.通过三维重建供受体腹腔三维模型,研究其在指导临床原位肝移植手术中的应用价值；3.建立仿真原位肝移植手术环境,完成原位移植手术,研究其在临床手术中的指导作用。方法1.材料同前。2.研究对象供体：女性,33岁,身高159cm,体重57Kg,血常规、生化检查未见异常,CT提示：肝、胆、胰、脾未见异常。临床上未发现肝脏疾病；受体：男性,58岁,身高166cm,体重72kg,肝功能：丙氨酸氨基转移酶(ALT):578IIU/L,γ-谷氨酸酰基转移酶(GGT):325 IIU/L,总胆红素：35.1μmol/l,直接胆红素：17.8μmol/l。CT提示：肝右叶低密度肿物,病灶区肝内胆管扩张。甲胎蛋白(AFP)：阳性,癌胚抗原(CEA)：阴性。临床诊断为肝右外侧段胆管细胞癌。3.数据采集,数据转换,医学图像三维可视化系统(MI-3DVS)分割重建,平滑和去噪同前。4.劈裂式肝移植仿真手术供体肝脏切取术,受体病肝切除术,供肝植入术。结果1.64排螺旋CT扫描共收集供体四期(平扫期、动脉期、门静脉期、肝静脉期)扫描图层均为503张,受体四期扫描图层均为461张。在64排螺旋CT自带的Mxview工作站上对扫描的图像质量进行分析：供、受体肝脏轮廓清晰,断面管道造影剂充填良好,各种血管管道清晰。动脉期：腹主动脉及其各个分支均清楚显示,肝动脉及左肝动脉、右肝动脉以及下属分支均能清楚显示。受体动脉管径较细,追踪动脉走向及动脉与肝实质界限较困难。静脉期：肝静脉主干显示良好,下腔静脉内造影剂充填较均匀,供体肝静脉的属支能肉眼辨认至三级。门静脉期：供体门静脉显示良好,受体门静脉系统肝外管道显示良好,肝内,门静脉右支显示不清,左支显示尚可。2.三维重建程序分割的腹部三维模型重建迅速,其中供体重建共用时1.5小时,受体重建共用时1.5小时。重建后的腹部脏器及管道系统显示清晰、逼真,较有效地模拟了腹部脏器情况,并能任意旋转、放大、缩小、透明化。肝脏透明化后,供受体肝内血管系统解剖结构正常,相互关系明晰。未发现血管的变异。3.仿真手术在FreeForm Modeling System应用系统及其自带的PHANToM力反馈设备中,虚拟出了原位肝移植环境,并利用此设备中二次开发出的仿真手术刀、仿真手术针及仿真血管钳等完成了原位肝移植可视化仿真手术全部过程,包括供肝切取,病肝切除,供肝植入等,各步骤符合临床手术过程,并可通过手术刀切割,手术针缝合等手术操作,感受“力”反馈的感觉。结论1.三维重建的原位肝移植供受体解剖结构清楚,可指导临床手术方案的制定；2.原位肝移植仿真手术,帮助临床医师熟悉手术过程,减少手术失误,提高手术成功率。四数字医学技术在劈裂式肝移植中的应用研究目的了解劈裂式肝移植手术过程。方法1.材料同前。2.研究对象供体：“健康”体检者,男,25岁,身高170cm,体重63Kg,肝肾功能正常,CT提示肝、胆、胰、脾未发现异常,临床未发现肝脏疾病。受体1：男,51岁,身高165cm,体重66Kg。肝功能：丙氨酸氨基转移酶(ALT)：387工IU/L,天门冬氨酸氨基转移酶(AST)：243IU/L,γ-谷氨酸酰基转移酶(GGT)：76 IIU/L；总胆红素:112.5μmol/l,直接胆红素:82.4μmol/l.CT:肝右叶有一16×12cm的低密度影,未发现其它病灶。甲胎蛋白(AFP)：245.67μg/1(0-10.9μg/1),癌胚抗原(CEA):10.68μg/1(0～10μg/1).127IIU/L,天门冬氨酸氨基转移酶(AST)：67IU/L,Y-谷氨酸酰基转移酶(GGT)：19IIU/L；总胆红素：16.3 u mol/1,直接胆红素：11.5μmol/1。CT：肝左叶有一3×2cm的低密度影,未发现其它病灶。甲胎蛋白(AFP)：24.56μg/1(0-10.9μg/1),癌胚抗原(CEA)：2.45μg/l(0-10μg/1)。3.数据采集,数据转换,医学图像三维可视化系统(MI-3DVS)分割重建,平滑和去噪同前。4.劈裂式肝移植仿真手术供肝劈裂术,受体病肝切除术,供肝植入术。结果1.64排螺旋CT扫描共收集供体四期(平扫期、动脉期、门静脉期、肝静脉期)扫描图层均为511张,受体1四期扫描图层为427张,受体2四期扫描图层均为389张。在64排螺旋CT自带的Mxview工作站上对扫描的图像质量进行分析：供、受体肝脏轮廓清晰,断面管道造影剂充填良好,各种血管管道清晰。动脉期：供受体腹主动脉及其各个分支均清楚显示,肝动脉及左肝动脉、右肝动脉以及下属分支均能清楚显示,受体动脉管径较细,追踪动脉走向及动脉与肝实质界限较困难。静脉期：肝静脉主干显示良好,供受体下腔静脉内造影剂充填较均匀。门静脉期：2例供体及受体门静脉显示良好,门静脉系统肝外管道显示良好。2.三维重建程序分割的腹部三维模型重建迅速,其中供体重建共用时2.0小时,受体1重建用时1.5小时,受体2重建共用时1.0小时。重建后的腹部脏器及管道系统显示清晰、逼真,较有效地模拟了腹部脏器情况,并能任意旋转、放大、缩小透明化。肝脏透明化后,供受体肝内血管系统解剖结构正常,立体感强。未发现血管的变异。3.仿真手术在FreeForm Modeling System应用系统及其自带的PHANToM力反馈设备中,虚拟出了劈裂式肝移植环境,并利用此设备中二次开发出的仿真手术刀、仿真手术针及仿真血管钳等完成了劈裂式肝移植可视化仿真手术全部过程,包括供肝劈裂术,受体病肝切除术,供肝植入术等,各步骤符合临床手术过程,并可通过手术刀切割,手术针缝合等手术操作,感受“力”反馈的感觉。结论劈裂式肝移植的仿真手术复杂,是器官移植中难度最大的手术之一,数字医学在劈裂式肝移植中具有一定的应用价值。五数字医学在肝肾联合移植中的应用研究目的1.建立肝肾联合移植的腹腔三维模型,了解腹腔脏器及其血管解剖结构及变异特点；2.通过三维重建供受体腹腔三维模型,研究其在指导临床肝肾联合移植手术中的应用价值；3.建立仿真肝肾联合移植手术环境,完成肝肾联合移植仿真手术,研究其在临床手术中的指导作用。方法1.材料同前。2.研究对象供体：课题志愿者,男性,26岁,身高168cm,体重68Kg,血常规、生化检查未见异常,CT提示：肝、胆、胰、脾、肾脏等均未见异常；受体：课题志愿者,女性34岁,身高161cm,体重52Kg,血常规、生化检查未见异常,CT提示：肝、胆、胰、脾、肾脏未见异常。4.数据采集,数据转换,医学图像三维可视化系统(MI-3DVS)分割重建,平滑和去噪同前。4.肝肾联合移植仿真手术供肝供肾联合切取,病肝切除术,供肝供肾联合植入术。结果1.64排螺旋CT扫描共收集供体四期(平扫期、动脉期、门静脉期、肝静脉期)扫描图层均为503张,受体四期扫描图层均为861张。在64排螺旋CT自带的Mxview工作站上对扫描的图像质量进行分析：供、受体肝脏及肾脏等实质脏器轮廓清晰,断面管道造影剂充填良好,各种血管管道清晰。动脉期：供受体腹主动脉及其各个分支均清楚显示,肝动脉及左肝动脉、右肝动脉以及下属分支均能清楚显示,肾动脉显示清楚,受体髂内外动脉可清楚显示。静脉期：供受体肝静脉主干显示良好,下腔静脉内造影剂充填较均匀,肾静脉造影剂充填较好,髂内外静脉显示清楚。门静脉期：供体门静脉显示良好,受体门静脉系统肝外管道显示清楚。2.三维重建程序分割的腹部三维模型重建迅速,其中供体重建共用时1.5小时,受体重建共用时2.5小时。重建后的腹部脏器及管道系统显示清晰、逼真,较有效地模拟了腹部脏器情况,并能任意旋转、放大、缩小、透明化。肝脏透明化后,肝内血管系统解剖结构正常,相互关系明晰。未发现血管的变异。3.仿真手术在FreeForm Modeling System应用系统及其自带的PHANToM力反馈设备中,虚拟出了肝肾联合肝移植环境,并利用此设备中二次开发出的仿真手术刀、仿真手术针及仿真血管钳等完成了肝肾联合肝移植可视化仿真手术全部过程,包括供肝供肾联合切取,病肝切除术,供肝供肾联合植入术等,各步骤符合临床手术过程,并可通过手术刀切割,手术针缝合等手术操作,感受“力”反馈的感觉。结论1.三维重建的肝肾联合移植供受体解剖结构清楚,可指导临床手术方案的制定；2.肝肾联合移植仿真手术,帮助临床医师熟悉手术过程,减少手术失误,提高手术成功率。