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「即時」的電腦虛擬器官模型,讓醫師操刀更精準

虛擬器官模型即時觀看,可幫助手術進行
即時觀看虛擬器官模型,可幫助手術。Credit: Andy G CC BY-SA 2.0

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。

肝臟在虛擬模型的形狀適應
術前肝臟影像建立的模型 (紅色) 形狀適應到變型後的肝臟(藍色) Credit: Dr. Stefanie Speidel, KIT, in Medical Physics , 41 and Karlsruhe Institute of Technology(圖片網址)

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 2.0Dr. Stefanie Speidel, KIT, in Medical Physics, 41 and Karlsruhe Institute of Technology
原文參考:Medical Physics

【作者簡介】 BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章要有邏輯,藉由報導、解析生醫領域的創新和應用來傳播知識。

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