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肝脏三维重建及虚拟肝脏手术规划临床应用的研究

林科灿  
【摘要】: 背景 肝脏是肿瘤好发的主要器官之一,近二十年来,外科技术的进步使肝脏肿瘤的手术切除率大大提高。肝脏作为实质性器官,只有通过影像学资料才能了解其内病灶的位置及大小,才能进行手术方案的设计。CT、MRI等影像学技术的发展大大推动了肝脏外科的发展,使得许多复杂的肝脏手术得以实施。然而,肝脏内部复杂的管道系统及其生理和病理变异,决定了肝脏外科手术的难度,而且,解剖性切除等肝脏外科新技术的应用要求术者进行缜密的术前规划,了解肝功能储备需测量预切除的肝脏体积。虽然CT、MRI等二维断层图像提供了肝脏病灶、管道系统所有的影像信息,但目前在大多数情况下,基于传统的二维图像,医生们只能凭经验由多祯二维图像去构思病灶与其周围组织的空间几何关系,从而给手术增添了困难。 三维可视化肝脏能直观、清晰、任意角度地显示肝脏的解剖及肝内管道系统的走行,肝脏肿瘤的位置及其与周围血管的空间毗邻关系;虚拟肝脏切除能提供准确安全的手术切界,避免肝脏组织过多切除,最大限度地保留功能性肝组织,为医生制订更准确的手术方案提供较二维图像更有价值的个体化信息。外科医师可在虚拟肝脏上反复进行手术规划,优化手术方案,提高手术技能,从而提高手术的安全性,降低手术并发症。 目前临床绝大多数的肝脏三维重建来自于CT机,多排螺旋CT具有强大的后处理功能,使用各种影像重组方法、多角度旋转进行诊断,为临床提供了更为详细、清晰的影像信息。但螺旋CT对肝脏三维重建需要在昂贵的工作站上进行,如果临床外科医生不特别要求,放射科医生一般不进行三维重建,即使进行三维重建,有时也与临床医生的要求有较大差别,也就无法满足临床医生虚拟肝脏手术规划的全部要求。因此如果要进行肝脏手术术前规划,可能的合理途径就是由临床医生按手术要求自己进行肝脏CT断层图像的三维重建。所以,开发一种应用于肝脏手术规划、临床医生容易掌握、成本较低、能在个人电脑上使用、易于推广的三维重建软件是必要的。 然而到目前为止,全球范围内肝脏手术规划系统软件的研发很少,均受专利保护,且仅在少数中心进行肝脏手术规划的应用,而国内未见该方面的报道。有鉴于此,我们开发出具有自主知识产权的虚拟肝脏手术规划软件Liv1.0,进行肝脏三维重建及虚拟肝脏手术规划临床应用的研究。 第一部分个人计算机上基于CT断层图像的肝脏三维重建的研究 目的 在个人计算机上对肝脏CT断层图像进行肝脏及其内部管道系统、肿瘤的三维重建,以期为肝脏外科手术规划系统的建立提供三维图像数据基础。 方法 通过阈值选择、区域生长等方法对感兴趣区进行识别提取和图像数据交互式分割,包括肝脏、肝内血管和肿瘤。采用体绘制和面绘制的方法,实现三维重建,构建肝脏、肝静脉、肝内门静脉和肿瘤的三维可视化模型,同时自动完成肝脏体积测量。图像的分割、重建和肝脏体积测量过程应用自主研发的虚拟肝脏手术规划软件Liv1.0在个人计算机上完成。 结果 1.重建后的肝脏模型形态逼真,立体感强,可在任意角度上进行全方位观察。通过对不同目标物体赋予不同的颜色值和透明度,显示其各自的形态结构。肝脏及其管道结构各部分可单独或组合显示,肝脏可视化后,肝内血管系统和肿瘤重建良好,结构清楚,形态逼真,空间立体感强,肝静脉、肝门静脉和肿瘤的分布以及相互关系明晰。根据肿瘤确定肝脏虚拟切除的范围。 2.本方法测得平均肝脏体积为(1268±307)ml,同组CT测量平均肝脏体积为(1287±297)ml,二者之间呈高度正相关r=0.960(P0.001),本方法测值的平均误差为2.2%。 结论 采用Liv1.0三维重建软件,三维重建肝脏及肝内管道结构,得到的肝脏模型形态逼真,肝内管道清晰,立体感强,为肝脏的虚拟手术提供良好的图像资料。肝脏体积测量与CT测量值差异无显著性,具有临床实用价值。 第二部分基于肝脏三维图像的肝脏血管骨架化及血管分布区域自动划分 目的 基于肝脏三维图像,利用数学方法进行血管分析并自动划分肝内血管分布的范围,适应虚拟肝脏手术计划的要求。 方法 应用骨架化算法将基于体素生成的肝内血管树进行图像提取,以获取血管等级信息,并应用最近邻域近似分割法进行血管分布区域的近似划分。在此基础上,对门静脉的分支在段水平上进行标记,自动划分肝段范围,模拟解剖性肝切除。 结果 1.血管骨架化处理后,血管骨架的形状及拓扑结构可以准确地反映出血管的原始形状及拓扑结构信息。骨架具有单像素宽度,连通性良好,过渡平滑,骨架的节点、末梢点标注清楚,抗噪性能良好,几乎没有伪骨架出现或骨架分支的缺失,骨架化总体效果令人满意。当任意选中骨架路径上的一个点后,可以自动标记出隶属于这个点的所有骨架分支,最近邻域近似分割法较好地显示血管所分布的肝脏范围。 2.按照肝段血管的分布,软件自动分割出门静脉每个段分支分布的相应肝段范围,重建出以肝段划分为基础的肝脏三维模型,清楚、准确地显示各个肝段的分布范围和界限。在此基础上进行肝脏虚拟解剖性切除,估算切除的肝脏体积。结论 利用软件Liv1.0可清晰地重建肝脏及其管道系统三维图像,自动划分血管分布区域,并进行虚拟肝脏切除手术及肝脏体积测量。所有操作在个人计算机上完成,便于临床外科医生掌握,从而为虚拟肝脏技术在临床中的应用提供了一个软件平台。 第三部分虚拟肝脏手术规划应用于肝脏切除术的研究 目的 探讨术前肝脏三维重建及虚拟肝脏手术规划对肝切除术的指导价值。 方法 应用软件Liv1.0,基于螺旋CT断层图像,将肝脏、肝内血管和肿瘤三维重建后进行血管骨架化分级以及门静脉或肝静脉血管分布区域的划分;进一步行虚拟肝脏手术规划。将虚拟手术规划结果与手术中所见进行对比。 结果 1.重建的三维图像效果满意,肝脏肿瘤与肝脏血管显示良好,肿瘤的大小、位置、数目一目了然,血管走向清晰,肿瘤与血管的三维空间毗邻关系能从各个角度得到仿真演示,提供了较二维图像更有价值的个体化信息。术前虚拟可视化肝脏的图像在术中得到真实地展现,术中所见与三维图像的匹配良好,达到理想的模拟效果。 2.通过虚拟肝脏手术规划,计算出残肝组织可能出现缺血/淤血的范围;通过预先对手术的反复模拟,改变手术切界,避免肝脏组织过多切除,最大限度地保留功能性肝组织,从而制定合理的手术方案。 结论 应用软件Liv1.0进行肝脏三维重建及虚拟肝脏手术规划可以为复杂的肝切除术提供重要的术前参考。 第四部分虚拟肝脏技术测量残肝体积预测肝癌术后肝功能损害的价值 目的 应用虚拟肝脏切除术测量残肝体积,计算残肝体积比,评估残肝体积比预测肝癌术后肝功能损害的可靠性。 方法 收集手术治疗的原发性肝癌病人76例,术前利用虚拟肝脏手术规划软件Liv1.0,获取肝脏CT断层图像,在个人计算机上进行肝脏虚拟手术切除,测量残肝体积。分析残肝体积比等临床因素与病人术后肝功能损害的关系。残肝体积=全肝体积-预切除肝体积;标准化肝脏体积=706.2×体表面积+2.4;体表面积(m~2)=0.0061×身高(cm)+0.0124×体重(kg)-0.0099;残肝体积比=残肝体积/标准化肝脏体积。将预切除肝脏体积与实际切除肝脏体积结果进行Pearson相关性检验。应用受试者工作特性(ROC)曲线分析残肝体积比对术后肝功能重度损害的预测能力,利用单因素分析和logistic多因素回归模型分析判断各危险因素对术后肝功能损害的影响。 结果 本方法所测预切除肝脏体积为489±206ml,实际切除肝脏体积为459±199ml,误差率6.4%,两者间高度正相关(相关系数r=0.916,P0.001)。单因素分析显示残肝体积比、手术时间、手术出血量与术后肝功能损害程度相关,而年龄、性别、CTP分级、肝门阻断时间、肝硬化等参数对肝功能损害的影响无统计学意义。logistic多因素回归模型分析表明残肝体积比是重度肝功能损害的独立预测因素。应用受试者工作特性(ROC)曲线分析残肝体积比对术后肝功能重度损害的预测,ROC曲线截断点对应的残肝体积比为53%(P0.001)。 结论 肝癌术后肝功能损害的严重程度与残肝体积比、手术时间、手术出血量等因素有关。残肝体积比53%者术后发生重度肝功能损害的几率明显增加,术前进行虚拟肝脏切除,测量肝脏体积,可以有效预测术后肝功能损害的风险。同时应尽可能缩短手术时间,减少术中出血量,以利于减轻术后肝功能损害。


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