張旭輝，張彬綜述，王東文審校

（山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院泌尿外科，山西太原030001）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在泌尿外科內(nèi)鏡診療中的應(yīng)用現(xiàn)狀

張旭輝，張彬綜述，王東文審校

（山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院泌尿外科，山西太原030001）

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)正逐步成為推動(dòng)外科診療技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力之一，尤其在泌尿外科內(nèi)鏡診療方面更為突出。通過對(duì)個(gè)體目標(biāo)器官及病灶CT、MRI等二維斷層信息進(jìn)行逆向重建，再現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象個(gè)體特征的虛擬技術(shù)，為外科診療活動(dòng)、基礎(chǔ)與應(yīng)用研究、教學(xué)與繼續(xù)教育等提供了全新的技術(shù)支持，應(yīng)用前景廣闊。

虛擬現(xiàn)實(shí)；泌尿外科；內(nèi)鏡檢查

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)近年來發(fā)展迅速，在與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的融合中逐步顯示出其巨大的發(fā)展?jié)摿蛯?shí)用前景，為外科手術(shù)的臨床診療活動(dòng)、基礎(chǔ)與應(yīng)用研究、教學(xué)與繼續(xù)教育等提供了全新的技術(shù)支持。隨著“精準(zhǔn)外科”理念的普及與“微創(chuàng)外科”技術(shù)的推廣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為推動(dòng)外科診療技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力之一,尤其在泌尿外科的內(nèi)鏡診療方面，這一點(diǎn)表現(xiàn)得更為突出。本文就多年來泌尿外科內(nèi)鏡診療中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用作一介紹。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1 概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱虛擬實(shí)境或靈境技術(shù)，原由美國軍方開發(fā)研究，至20世紀(jì)80年代末逐漸為各界所關(guān)注[1]。它利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生出一個(gè)逼真的虛擬三維空間，提供給使用者關(guān)于視、聽甚至觸覺等感官的模擬體驗(yàn)。與傳統(tǒng)模擬技術(shù)相比，該技術(shù)的主要特征是：用戶進(jìn)入到一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境中，并與之交互[2]。通過這種感官體驗(yàn)與交互，用戶能夠全方位地獲取現(xiàn)實(shí)中物體的各種空間信息和邏輯信息。

1.2 分類

雖然目前仍處于VR技術(shù)應(yīng)用的初級(jí)階段，但它已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其外科診療方面產(chǎn)生了重大的影響。在當(dāng)前外科診療活動(dòng)中，VR技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)為虛擬人體，如數(shù)字人等[3]，與虛擬手術(shù)方向，前者

著重于展示精細(xì)人體結(jié)構(gòu)的形態(tài)與毗鄰關(guān)系[4-5]，后者側(cè)重于實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下手術(shù)相關(guān)的交互操作[6]。

而當(dāng)前的VR技術(shù)也呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展勢(shì)態(tài)，該技術(shù)的承載體——VR系統(tǒng)大致有以下幾類[2]。

桌面式VR系統(tǒng)：其特征是以計(jì)算機(jī)的屏幕作為觀察虛擬世界的窗口，通過其他輸入設(shè)備如鼠標(biāo)、追蹤球、力矩球等實(shí)現(xiàn)交互操作。它是當(dāng)前泌尿內(nèi)鏡乃至其他醫(yī)療學(xué)科應(yīng)用與研究所采用的主要方式，如各種仿真內(nèi)鏡、數(shù)字人及個(gè)體化數(shù)字模型的呈現(xiàn)及相關(guān)交互應(yīng)用等。

增強(qiáng)式VR系統(tǒng)：將虛擬環(huán)境和真實(shí)場(chǎng)景疊加顯示，即虛擬環(huán)境或物體的一部分由真實(shí)環(huán)境或物體構(gòu)成，從而既能獲得從感官無法直接得到的深層信息，又可對(duì)真實(shí)物體進(jìn)行操作而加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知，如個(gè)體化數(shù)字模型在手術(shù)定位、導(dǎo)引等中的應(yīng)用。分布式VR系統(tǒng)：即把位于現(xiàn)實(shí)中不同位置的多個(gè)用戶，通過網(wǎng)絡(luò)連接入同一虛擬環(huán)境中，以達(dá)到可以協(xié)同工作等目的，如遠(yuǎn)程手術(shù)或遠(yuǎn)程會(huì)診的應(yīng)用等。

沉浸式VR系統(tǒng)：利用頭盔式顯示器、投影儀等設(shè)備，以高度的沉浸感和實(shí)時(shí)性將用戶完全封閉、沉浸入虛擬環(huán)境中。

1.3 VR技術(shù)在泌尿外科內(nèi)鏡診療中的應(yīng)用形式

生成可視且具有交互性的虛擬環(huán)境或物體，是VR技術(shù)的核心內(nèi)容，因?yàn)橹挥羞_(dá)到對(duì)研究對(duì)象真實(shí)、有效地反映，該技術(shù)的應(yīng)用才有意義。在泌尿外科內(nèi)鏡診療中，VR技術(shù)的應(yīng)用逐漸形成了兩種表現(xiàn)形式：仿真內(nèi)鏡和個(gè)體化數(shù)字模型。兩者皆是根據(jù)個(gè)體結(jié)構(gòu)的CT、MRI等二維斷層信息進(jìn)行目標(biāo)器官及病灶的逆向重建，準(zhǔn)確、精細(xì)地反映研究對(duì)象的個(gè)體特征，提供用傳統(tǒng)手段無法獲得的解剖結(jié)構(gòu)信息，并為進(jìn)一步模擬操作提供平臺(tái)[7-8]，因而在臨床診療活動(dòng)中極具實(shí)用性，近些年來受到了廣泛的關(guān)注。

2 VR技術(shù)在泌尿外科內(nèi)鏡診療中的應(yīng)用——仿真內(nèi)鏡

仿真內(nèi)鏡，又稱虛擬內(nèi)鏡（virtual endoscopy，VE），它系一種通過CT、MRI等設(shè)備采集人體數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中重建出空腔臟器的腔內(nèi)黏膜及腔外部分臨近結(jié)構(gòu)的方法。它不僅模擬了傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)鏡，如腎鏡及輸尿管鏡、膀胱鏡、尿道鏡等的視像內(nèi)容，側(cè)重從腔內(nèi)視角進(jìn)行空腔臟器黏膜及與周圍解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系的模擬觀察，而且能展示出傳統(tǒng)內(nèi)鏡所無法探及的部分腔內(nèi)及腔外區(qū)域，成為大多數(shù)患者能夠耐受的非創(chuàng)傷性檢查[9]，是臨床、科研與教學(xué)有益的輔助工具[10]，因而始終吸引著各方學(xué)者的關(guān)注。

2.1 仿真腎鏡、輸尿管鏡

仿真腎鏡、輸尿管鏡又稱虛擬腎鏡、輸尿管鏡，是模擬光學(xué)輸尿管鏡或腎鏡視像的仿真內(nèi)鏡。1999年，TAKEBAYASHI等[11]首次報(bào)道了基于CT仿真腎鏡、輸尿管鏡對(duì)于診斷腎盂、輸尿管腫瘤的有效性，認(rèn)為它能清晰地顯示輸尿管狹窄部位及遠(yuǎn)、近端以及腎盂內(nèi)的情況，同時(shí)也指出該仿真內(nèi)鏡存在一定的不足之處，如無法很好地表現(xiàn)腫瘤的質(zhì)地及對(duì)周圍組織、器官的浸潤程度等[12]；LIATSIKOS等[13]通過對(duì)腎盂腎盞的三維重建，良好地顯示了腎盂腎盞的先天畸形情況。另一方面，NERI等[14]則研究了基于MRI進(jìn)行仿真內(nèi)鏡觀察的可行性，在對(duì)26例輸尿管狹窄患者觀察后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸尿管直徑＞5 mm時(shí)，從腎盂輸尿管交界處到輸尿管狹窄部位的尿路情況都可以得到很好的顯示。由于MRI仿真內(nèi)鏡的優(yōu)點(diǎn)在于不需要注射造影劑且沒有X射線輻射，因而受到了更多的關(guān)注。

與傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)鏡相較而言，仿真腎鏡、輸尿管鏡是幾近無創(chuàng)的檢查，而且沒有傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)鏡所無法避免的出血、感染、穿孔等并發(fā)癥以及麻醉所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。然而由于上尿路的腔內(nèi)結(jié)構(gòu)顯示困難，因而相對(duì)虛擬膀胱鏡的研究來說，有關(guān)上尿路仿真內(nèi)鏡的報(bào)道較少。

2.2 仿真膀胱鏡

又稱虛擬膀胱鏡，是模擬光學(xué)膀胱鏡視像的仿真內(nèi)鏡。與上尿路光學(xué)內(nèi)鏡一樣，由于光學(xué)膀胱鏡系有創(chuàng)檢查，且存在尿路感染、出血甚至穿孔等并發(fā)癥及患者的不適與焦慮感等[15]缺點(diǎn)，因而具有既無創(chuàng)又能確定病灶大小、位置，還有助于腫瘤分級(jí)分期優(yōu)勢(shì)的虛擬膀胱鏡，大有成為光學(xué)膀胱鏡的有效替代方式。1996年，VINING等[16]向膀胱內(nèi)注入二氧化碳（對(duì)比劑）后行盆腔CT掃描，從而首次重建出虛擬膀胱鏡圖像；同年NARUMI等[17]提出可以根據(jù)腫瘤的位置，在CT掃描時(shí)采取俯臥和仰臥的體位以提高腫瘤的發(fā)現(xiàn)率；其后，多方學(xué)者依此方式展開了虛擬膀胱鏡可行性、靈敏度等的探討[18]。而在2001年，BERNHARDT等[19]則另辟蹊徑，使用MRI的T2加權(quán)圖像重建出虛擬膀胱鏡圖像，并對(duì)基于MRI斷層圖像與CT圖像的虛擬膀胱鏡結(jié)果做了對(duì)比研究。

可以說，基于CT或MRI圖像實(shí)現(xiàn)虛擬膀胱鏡

的方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。就基于CT圖像實(shí)現(xiàn)方式而言，其本身具有輻射性，故不便于經(jīng)常性的復(fù)查，而且由于CT掃描對(duì)軟組織結(jié)構(gòu)不敏感，雖然借助對(duì)比劑將膀胱充盈從而獲得了膀胱的整體形態(tài)特征，但不可避免地又降低了小體積或扁平狀腫瘤的靈敏度，因而在應(yīng)用上受到一定限制。在這方面，SCHREYER等[20]根據(jù)膀胱壁的厚度設(shè)置黏膜圖像的色階，即設(shè)計(jì)出膀胱壁越厚顏色越深的膀胱壁厚度色階繪圖法，以期提高微小黏膜病變的敏感度，F(xiàn)IELDING等[21]也以不同的顏色區(qū)分膀胱壁厚度的方法進(jìn)行了嘗試。另有研究指出，當(dāng)腫瘤直徑＞1 cm時(shí)，CT與MRI對(duì)照沒有顯著差異，而反之則基于MRI虛擬膀胱鏡的靈敏度和特異度都比較低[22]?？梢姡贛RI的成像方式，在軟組織成像上有更好的對(duì)比度，且無需外源性對(duì)比劑便可對(duì)膀胱內(nèi)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)清晰成像，更重要的是，它所提供的人體功能圖像信息彌補(bǔ)了CT掃描的不足。因此，成為除CT實(shí)現(xiàn)仿真內(nèi)鏡外又一可行的仿真方式。

2.3 仿真尿道鏡

在尿道的虛擬仿真內(nèi)鏡技術(shù)方面，國內(nèi)外目前的研究較少。2004年，YEKELER等[23]報(bào)道了使用延遲期尿路造影增強(qiáng)MRI來重建出正常尿道、前列腺部、膜部及球部尿道狹窄的三維重建影像，然后再通過傳統(tǒng)尿道鏡對(duì)MRI中發(fā)現(xiàn)的尿道狹窄病變進(jìn)行證實(shí)，結(jié)果認(rèn)為MRI仿真尿道鏡能夠很好地顯示膜部尿道狹窄以及逆行造影無法發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)端尿道狹窄，并且能夠極好地顯示正常尿道影像，有望用來評(píng)估男性全尿道的情況，但存在的一個(gè)缺點(diǎn)是無法準(zhǔn)確地測(cè)量尿道狹窄的長(zhǎng)度。

2.4 仿真內(nèi)鏡的不足

尚處起步階段的泌尿外科仿真內(nèi)鏡技術(shù)，作為幾近無創(chuàng)的檢查手段，從結(jié)構(gòu)與功能圖像中提取了更多結(jié)構(gòu)（如息肉和腫瘤）的有效特征，并以直觀的三維形態(tài)輔助醫(yī)生診斷。因此，在腎盂、輸尿管及膀胱疾病等的診斷，特別是該區(qū)域腫瘤性疾病的早期篩查和復(fù)查上具有不錯(cuò)的臨床應(yīng)用價(jià)值和前景。

但不得不承認(rèn)，該項(xiàng)技術(shù)在小體積、扁平狀病損及黏膜增厚的鑒別方面尚不具優(yōu)勢(shì)，而且檢查時(shí)必須設(shè)法使空腔臟器保持適宜的充盈，以保障掃描后的觀察效果，另外，檢查后無法提供組織標(biāo)本以供病理學(xué)檢查。因此，客觀來說，當(dāng)前的仿真內(nèi)鏡技術(shù)仍存在著一定的局限性。

3 VR技術(shù)在泌尿外科內(nèi)鏡診療中的應(yīng)用——個(gè)體化數(shù)字模型

個(gè)體化數(shù)字模型，亦基于CT、MRI等方式采集個(gè)體信息，在計(jì)算機(jī)中三維重建出目標(biāo)病灶及周圍重要解剖結(jié)構(gòu)。它同樣模擬光學(xué)內(nèi)鏡中腹腔鏡的視像，但不限于該視像有限的視角[24]，它更側(cè)重于呈現(xiàn)臟器的表面形態(tài)（含外表面和內(nèi)表面），相對(duì)位置以及與周圍結(jié)構(gòu)的空間毗鄰關(guān)系，而根據(jù)需求忽略臟器的腔內(nèi)情況。

有關(guān)腹膜后腔個(gè)體化數(shù)字模型的研究雖近年來才興起，但發(fā)展迅速，所涉范圍包括腎及其動(dòng)靜脈系統(tǒng)、腎盂、輸尿管及該區(qū)域內(nèi)的病灶等，主要集中于腹膜后腔內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)的個(gè)體化三維模擬。

WUNDERLICH等[25]基于CT數(shù)據(jù)，借助掃描設(shè)備自帶圖像后處理工作站中體繪制為主的方法，行三維重建后，得到了腎腫瘤、腎動(dòng)脈系統(tǒng)尤其是腫瘤滋養(yǎng)分支動(dòng)脈的三維圖像，實(shí)現(xiàn)了腎部分切除術(shù)的術(shù)前規(guī)劃模擬。HUBERT等[26]則利用CT三維重建技術(shù)診斷腎結(jié)石，OLCOTT等[27]將該方法用于經(jīng)皮腎鏡碎石取石術(shù)（percutaneous lithotripsy，PCNL）的手術(shù)方案制訂中，其后，多方學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。可見，由CT/MRI掃描設(shè)備自帶軟件經(jīng)體繪制生成的CT血管成像（computed tomography angigraphy，CTA）、CT尿路成像（computed tomography urography，CTU）等三維重建圖像，在對(duì)腎區(qū)目標(biāo)結(jié)構(gòu)外部形態(tài)的三維表現(xiàn)上令人耳目一新，不僅在腎腫瘤的診斷上提供了重要信息，更在腫瘤分期和手術(shù)規(guī)劃上發(fā)揮了重要的作用。但由于其顯示結(jié)構(gòu)有限，邊界不夠清晰，對(duì)灰度值較低結(jié)構(gòu)如部分靜脈、缺乏血供的瘤體及造影劑不顯影的集合系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)往往顯示不完整，對(duì)灰度值差異較小結(jié)構(gòu)間的邊界區(qū)分不清，因而應(yīng)用有限。

另一方面，學(xué)者們近年來同樣基于CT數(shù)據(jù)，但在PC機(jī)支持的軟件中采用面繪制的方法行三維重建，所得模型在腎區(qū)瘤體及腎動(dòng)、靜脈及集合系統(tǒng)等方面的同場(chǎng)景顯示上具有著良好的顯示能力。如LASSER等[28]、UKIMURA等[29-30]重建出含腎動(dòng)靜脈、腎臟及瘤體等的三維數(shù)字結(jié)構(gòu)，以輔助機(jī)器人腹腔鏡下保留腎單位手術(shù)的精準(zhǔn)實(shí)施；TEBER等[31]還采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，由計(jì)算機(jī)借助置入術(shù)區(qū)的標(biāo)定物來調(diào)整模型與臟器的匹配，從而將現(xiàn)實(shí)的腹腔鏡術(shù)野圖像與虛擬模型以疊加的方式呈現(xiàn)到顯示器上，

用以實(shí)現(xiàn)腎部分切除術(shù)中的定位與導(dǎo)引。DALELA等[32]、PATEL等[33]建立出腎動(dòng)靜脈、腎臟、集合系統(tǒng)及結(jié)石在內(nèi)的數(shù)字模型，以規(guī)劃PCNL術(shù)式的入路設(shè)計(jì)；RASSWEILER等[34]也用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方法指導(dǎo)PCNL的穿刺過程。

在前述均基于CT或MRI數(shù)字格式數(shù)據(jù)的研究外，筆者課題組[35]則更以CT膠片所載信息作為數(shù)據(jù)來源，探索并建立了基于CT膠片建立腹膜后腔個(gè)體化三維數(shù)字模型的系統(tǒng)方法，充分挖掘了CT膠片所載的影像信息，而一定程度上避免了重復(fù)檢查，實(shí)現(xiàn)了CT膠片所載信息的最大化利用。所虛擬再現(xiàn)的圖像，涵蓋了腎上腺囊腫及腺瘤、腎囊性疾病及腎腫瘤、腎盂輸尿管結(jié)石及連接處梗阻、腔靜脈后輸尿管等疾病下的個(gè)體解剖結(jié)構(gòu)。

4 展望

仿真內(nèi)鏡和個(gè)體化數(shù)字模型是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入泌尿外科內(nèi)鏡診療后的具體應(yīng)用，兩者對(duì)病灶及其周圍臟器解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)與空間毗鄰等精細(xì)、直觀、自由地展示，以及可交互式地虛擬操作，為輔助診斷、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)前模擬、術(shù)中定位與導(dǎo)引、遠(yuǎn)程會(huì)診、遠(yuǎn)程手術(shù)以及其他如生物力學(xué)研究等諸多目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了有力的技術(shù)支持。相信逐漸成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將不僅在泌尿外科的內(nèi)鏡診療，更在各學(xué)科臨床診療的方方面面產(chǎn)生不可估量的推動(dòng)作用。

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（張立芳 編輯）

Virtual reality:application status of diagnosis and treatment in urology endoscopy

Xu-hui ZHANG,Bin ZHANG reviewer,Dong-wen WANG,reviser
(Department of Urology,the First Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan，Shanxi 030001,P.R.China)

In recent years,virtual reality is gradually becoming a strong impetus to promote the innovative development of surgical diagnosis and treatment technology innovation,especially in urology endoscopy.By reversely reconstructing CT or MRI images of individual target organs and lesions,individual characteristics of the target object are reconstructed for surgical diagnosis and treatment activities,basic and applied research,teaching and continuing education.So it will have a wide application in the future.

virtual reality;urology;endoscopy

1007-1989（2015）09-0966-05

R699.1

A

2014-04-16

王東文，E-mail：urology2007@126.com