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[引用本文]

陈柳香,胡兵. 三维可视化技术在消化内镜的应用进展[J].中华消化内镜杂志, 2021,38(11):857-860.

Chen Liuxiang, Hu Bing. Application of three-dimensional visualization in digestive endoscopy[J]. Chin J Dig Endosc, 2021,38(11):857-860.

DOI：10.3760/cma.j.cn321463-20210415-00251

胡兵

四川大学华西医院消化内镜中心主任，教授、博士生导师

近5年以第一作者、通讯作者发表SCI文章100余篇。副主编人民卫生出版社教材3部、专著2部，获授权专利18项并成功转化3项。作为首席科学家，承担国家重点研发项目1项（总经费2 378万元）、国家自然科学基金面上项目3项及四川省科技厅重点项目4项。担任World Journal of Gastrointestinal Endoscopy主编，Endoscopic Ultrasound，World Journal of Gastroenterology，American Journal of Gastroenterology， Endoscopy, Journal of Gastroenterology， Digestive Endoscopy及《中华消化内镜杂志》等杂志编委、特邀审稿专家。任中华医学会消化内镜学分会常委、中国医师协会胰腺病专业委员会副主任委员、中华医学会消化内镜学分会早癌协作组副组长、中国内镜医师协会消化内镜人工智能专业委员会副主任委员等。

【提要】

近年来，数字智能化医学迅速发展，相较于传统的二维成像，三维可视化技术可提供直观、立体的三维图像，便于临床医生多层次、多角度观察病变及其毗邻结构。3D打印技术将可视化图像转化为肉眼可见的物理模型，可进一步提升对复杂疾病形态特征的理解。此外，虚拟现实和混合现实等高级可视化技术，可增加更多真实、互动的医学体验。本文阐述了三维可视化、3D打印及现实技术的基本概念，并对其在消化内镜领域的应用研究进行总结与展望。

【关键词】成像, 三维;虚拟现实；内窥镜检查, 消化系统

一、概述

CT和磁共振成像（MRI)等医学成像技术是诊断疾病的重要工具，可帮助了解病变的形态特征和解剖关系，但临床医师需要丰富的经验、良好的空间想象力将二维图像构建成三维解剖结构，这就促进了三维可视化技术的发展。三维可视化是指利用计算图像处理技术，将CT、MRI、超声等的原始图像序列进行分析、融合、计算、分割、渲染等，重建为立体的三维图像，以便临床医师可以直观、形象地观察病变特征。3D打印技术是快速成型技术的一种，将医学图像经过三维可视化软件重建后，利用不同的材料打印出来，可以真实立体地还原人体内部解剖结构。虚拟现实（VR）是一种在计算机生成的虚拟环境中使用真实世界感知的技术。与传统显示器的可视化相比，VR允许临床医师沉浸于虚拟空间，直观、立体地评估患者情况，并对三维模型进行操作。增强现实(AR)是在VR的基础上发展起来的，就可视化真实世界的能力而言，AR明显强于VR，因为其利用空间配准使虚拟对象覆盖在真实世界上。混合现实（MR）作为VR和AR的混合体，不仅将虚拟对象覆盖在真实世界上，而且锚定现实对象，进一步打破了虚拟环境与现实世界之间的界限。最初，三维可视化、3D打印及VR技术等多用于外科，辅助术前诊断、制定手术方案及选择手术入路等；随着技术的进一步发展，也逐渐应用于消化内镜领域。

二、三维可视化技术在消化内镜的应用

1.虚拟内镜：传统的柔性内镜不能提供立体图像，并且人体内部薄而持续移动的肠壁阻碍了生成三维图像所需的精确空间配准，因此只能通过CT或MRI等来获取胃肠道的三维数据集。Li等报道了基于CT的虚拟胃镜是上消化道检查的一种替代方法，特别适用于胃镜检查困难的患者；Schreyer等在一项研究中评估了基于MRI的虚拟小肠镜在克罗恩病患者中应用的可行性。此外，Simone等将患者的MRCP数据整合到VR软件系统中并生成三维重建图像,发现虚拟胆道镜的灵敏度和特异度分别为71%和91%，而标准MRCP的灵敏度和特异度分别为61%和86%，说明虚拟胆道镜可提供详细的术前胆道解剖重建和可靠的胆总管结石诊断。以上研究表明，基于三维可视化技术的虚拟内镜可辅助内镜检查。

图13D打印模型辅助食管肿瘤的内镜切除1A：内镜检查示食管中段黏膜下肿瘤；1B:CT检查示病变与脊柱、主动脉、气管相邻(白箭头)；1C:3D打印模型病变及其周围器官

2.3D内镜：随着奥林巴斯公司克服技术的瓶颈，3D内镜逐渐用于胃肠道疾病的诊疗。3D成像可使病变的形态特征更加立体，从而帮助提供更多有用的诊断信息。Nomura等首次报道了3D成像可以提高胃肠道浅表肿瘤诊断的置信度；Higuchi等也发现3D内镜在胃浅表肿瘤的形态及范围识别等方面明显优于2D内镜（P＜0.01）。另有研究发现经内镜逆行胰胆管造影术（ERCP）的3D成像可获得完整的胆道系统三维可视化图像，从而提高部分胆道疾病的诊断率。近期，也有研究利用新开发的3D胶囊内镜对患者进行小肠评估，发现其与传统胶囊内镜表现相似，且新增的三维重建和尺寸测量功能有望在上皮下肿瘤的表征中发挥作用。

此外，3D成像提供了更好的深度识别，可为内镜下治疗提供指导。Nomura等发现3D内镜下内镜黏膜下剥离术（ESD）组切开时间及剥离时间明显短于2D内镜下ESD组（P＜0.05)；也有研究证实3D内镜观察下病理和ESD切缘的平均距离明显短于2D内镜观察下的距离[（1.03±0.80）mm 比（1.94±1.96）mm，P=0.002]。Kikuchi等和Akizue等发现内镜医师使用3D内镜时具有良好的深度感知和安全感。值得注意的是，上述研究均在体外动物模型上进行，Chiu等将该技术应用于临床，结果同样表明使用3D内镜进行ESD是安全有效的。

三、3D打印技术在消化内镜中的应用

自3D打印技术发明以来，其彻底改变了原型设计，并广泛应用于医疗领域，如解剖模拟、术中导航和定制植入物等。Yang等报道了利用3D打印模型能准确显示肝门部胆管癌及其周围胆管的关系，可用于指导ERCP，并提高手术成功率。我们团队报道了基于3D打印技术内镜下切除的新概念，并在其指导下成功切除1例大型食管黏膜下肿瘤。一位47岁的男性因为间歇性吞咽困难就诊，内镜检查发现食管中段黏膜下肿瘤，增强CT显示病变靠近支气管、主动脉和脊柱。由于内镜切除难度较大，容易出现损伤，我们基于增强CT图像制作的3D打印模型（图1），可以精准地显示肿瘤及其毗邻脏器，在术前辅助内镜医师评估病情、制定手术计划，在术中提供导航，避免损伤周围重要组织。

另一方面，3D打印内镜配件可以改善内镜的诊断与治疗。Walter等将3D打印侧视帽用于结肠镜检查，可提高腺瘤的检出率。Zizer等利用3D打印设计了一种新的ESD套管系统，并在动物模型上进行验证，结果显示新套管辅助ESD较常规ESD更快[（0.45±0.24）cm2/min 比（0.22±0.11）cm2/min，P=0.029]、更有效,仅常规组出现1例不良反应。Ko等利用3D打印技术制造了用于Trucut活检的宽头帽、内镜黏膜切除术的侧孔帽、ESD的斜头帽和经口内镜肌切开术的窄头帽，与传统的透明帽相比，3D打印的内镜透明帽可以提供更广泛的内镜视野，缩短操作时间。此外，通过3D打印技术创建的模型，也可以为内镜医师提供模拟培训。Lee等使用3D打印技术创建的胃部止血模拟器和活检模拟器可提高实习内镜医师的止血技能和活检技能。Kwon等利用3D打印技术开发的ERCP模型，完成了基础胆管插管、困难插管、机械碎石、取石、支架置入等操作。然而，3D打印仍需克服其自身的技术复杂、成本高昂等问题，才能更广泛应用于临床。

四、现实技术在消化内镜的应用

1.VR技术：VR技术使内镜医师处于虚拟的环境中，无法与真实存在的患者进行交流，限制了其在临床实际操作中的应用，目前主要应用于内镜模拟培训。内镜操作是一项有挑战性的技术，需要经过大量培训。传统模式为新手内镜医师在经验丰富导师指导下学习基本技能，这种模式有直接监督和实时评估的好处，但也可能会导致患者不适、手术时间延长及培训成本增加。在过去几十年里，基于模拟器的内镜训练得到了广泛的验证，尽管已有机械模拟器、活体动物模拟器、体外模拟器等可以使用，但涉及到解剖学差异、真实感、耐用性、伦理等问题。VR模拟器利用视觉和触觉界面的组合，可以呈现与现实相似的情景，从而使受训者能够在不同条件下练习认知和技能；另外，VR模拟器可以提供客观的指标，如操作完成时间、黏膜可视化百分比及患者疼痛程度等，有助于分析受训者的行为并找出错误。在一项系统性综述中，23项关于VR模拟器训练和学习曲线的研究结果都表明，在早期培训阶段，VR模拟器可以提高内镜医师的技能。

2.AR与MR技术：与VR不同，AR与MR寻求将虚拟信息和现实环境相结合，提高临床医师解决实际问题的能力。在医疗实践中，AR技术最初应用于外科手术导航。Tang等报道了AR导航可以提高胆道镜手术的有效性，但此研究是在胆道模型中实施的，需要进一步验证其在临床环境中的益处。Azagury等和Vosburgh等报道了在近距离AR引导下，内镜可以很容易地通过腔内通道进入肾脏、胆囊、胰腺和肝脏，提示了新的内镜手术方法的可能性。2018年10月，美国食品和药物管理局批准了首个MR医疗解决方案——HoloLens用于术前计划，该技术可以将患者的二维、三维和四维图像叠加到患者身上，并提供真正的三维深度感知。随着小型化、可穿戴式MR设备的发展，MR在医疗领域取得很大进展，包括术中导航、手术培训、远程教学等，但主要集中在外科方面。近期我们团队首次将MR技术用于指导内镜下治疗，成功切除1例食管肿瘤。1例46岁的男性被诊断为巨大食管黏膜下肿瘤，增强CT显示肿瘤靠近主动脉和支气管，为尽可能降低手术相关损伤，我们基于CT图像对病变区域进行三维重建，并将模型导入MR设备中，分析病变位置、毗邻关系等，评估手术风险并制定手术计划；当进行手术时，内镜医师佩戴MR设备，并将虚拟模型等比例叠加于术区，在其指导下顺利完成手术（图2）。当然，这只是开始，根据史蒂夫·曼的理论，智能硬件会逐步从VR向AR和MR过渡，而MR技术能更好发挥AR的效果，这也提示了MR在内镜方面的发展前景。

图2混合现实技术应用于食管肿瘤内镜手术2A：内镜示食管中段黏膜下肿瘤；2B:CT示病变与邻近器官；2C:重建的虚拟三维器官模型被投射到患者身上；2D:内镜医师佩戴混合现实装备，在可视化虚拟三维器官模型的指导下进行内镜切除

五、总结与展望

外科医师在开腹或使用腹腔镜等可以直视病灶的情况下，都需要充分利用三维可视化技术，而柔性内镜下不能直视病灶，且方向性及空间感差，三维可视化能够让内镜手术更加可控。目前基于可视化技术的虚拟内镜、3D内镜可以辅助胃肠道疾病的诊疗，3D打印模型可用于内镜操作的术前规划及术中导航；VR主要用于内镜医师的教学和模拟培训；尽管MR目前在消化内镜的应用有限，但我们团队的经验证明了MR在内镜领域的潜力。此外，融合发展三维可视化技术和人工智能是未来研究的方向。例如，在医学图像原始数据转化为可视化模型的过程中，可以利用人工智能技术进行数据挖掘和分析，实现对病变及周围组织的检测、识别和分割等，从而进一步为三维可视化模型提供数据支持。总之，消化内镜为三维可视化技术的应用提供了肥沃的土壤，如息肉的识别和监测、病理分型等。然而，要将三维可视化技术整合到常规内镜操作实践中，需要临床医师、软件工程师和计算机专家的密切合作，克服诸多挑战，将消化内镜推向下一个时代前沿。

参考文献略，原文见《中华消化内镜杂志》2021年11月

中华消化内镜杂志