在各種小範圍、低侵入式的手術越來越進步，廣泛取代過去一定要切開病人做大手術的趨勢下，外科醫生靠著像是內視鏡這類的光學系統來操刀，手術時仰賴這些光學系統顯示在螢幕上的資訊。但畢竟這些方法能提供的影像有限，例如說無法透視組織、即時見到立體的組織器官影像，而且可以看到的範圍較小，很多時候還必須要仰賴醫生個人的立體感和對同類型手術的經驗。
科技如何輔助複雜手術
現在一些較複雜的手術，在術前會先幫患者照電腦斷層影像，再將這些影像轉換成為三維模型，之後應用3D列印技術，將器官列印出來，術前供醫師模擬手術或者了解構造。但這些還不夠，生物體內的軟組織，在身體內會移位變化，例如說因為不同姿勢或者受力都可能改變彼此的相對位置，術前的影像，就無法完全滿足手術當中的狀況。因此，若可以在手術當下，醫師就能即時觀看手術部位三維模型的影像，是不是更精準便利，也較少仰賴醫師對立體空間的想像和經驗。
手術中即時建立三維器官模型
因為這個問題，德國卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)的科學家發展了一套電腦計算的方法，可以在手術時，以術前的電腦斷層影像為基準，套用即時的器官外觀資訊，計算手術部位器官模型，以三維模型顯示，供醫師觀看。舉一個肝臟腫瘤開刀的例子。肝臟器官是軟組織，會因為患者呼吸或者手術刀接觸的壓力而形變。內視鏡攝影機可以即時記錄這個形變的表面，但是無法顯示內部結構，例如腫瘤的變形。因此，這套計算方法的原理，就是基於術前的電腦斷層影像，科學家可以建立虛擬的三維模型來表示這個器官，包含其內部的腫瘤、血管等細節，在手術中，攝影機可以提供器官外形的資訊，產生一個表面模型，然後科學家將這個術前的模形，整個緊合到這個表面模型裡面中，就好像一個軟材質的果凍，被塞到一個硬模裡。這個過程稱作形狀適應(Shape Adaptation)。在背後，科學家應用物理的方法來計算這個問題。可以想像成這個模型的表面帶滿「負電荷」，而術前建立的模型帶有「正電荷」，如此，兩者之間會互相吸引，彈性體(術前模型)滑入硬材質的表面模型中。形狀適應完成後，醫生可以藉由這個模型，了解腫瘤在器官內變形和移動後的位置。而因為是虛擬顯示，醫師還可以操作將器官顯示為透明，而直接看到腫瘤的位置和血管分佈。
目前這個「電平衡-彈性體方法」，在「電腦軟體的模擬」和「實體的標準仿真肝臟」實驗上，都證實相當準確。即使只有部份的肝臟表面即時資訊也可以套用。在臨床案例中很普遍，就是肝臟被其它器官包圍，內視鏡攝影機僅能看到部份的肝臟。但是如果實在連一半的器官影像都沒有呢?就必須要採用其它參考點來輔助運算，像是附近的血管位置當做標記。在型狀適應的精準度上，可以到達釐米(mm)以下。
此外，這個方法較其它傳統方法更為精準，因為計算的時候，也將生物力學的因素考慮在內。例如組織的彈性。這項研究中使用的仿真肝臟樣本，就含有兩種不同材料的矽膠，肝臟的外層較硬，內層較軟。
除了方法的建立，科學家也成功提升了電腦的計算速度。在未經過最佳化調整、單核心CPU計算的電腦中，大約只要7-19秒的時間做模型重疊。幾乎可以是即時地提供結果。
生醫的應用，不僅是藥物、生技，也可以是軟體、硬體的研發，這項研究，就是典型的軟體開發應用在醫學影像輔助手術上，也是非常有意義的突破。將來很有希望應用在任何軟性材質或者生物組織的影像重合上。
文章參考：Karlsruhe Institute of Technology(KIT)
影片來源：KIT Karlsruher Institut für Technologie
圖片來源：Andy G CC BY-SA 2.0; Dr. Stefanie Speidel, KIT, in Medical Physics, 41 and Karlsruhe Institute of Technology
原文參考：Medical Physics
