肝和肝血管三維重建的臨床應(yīng)用

晁 凡 沈若武▲ 張景利 趙 成 管文敏 周宇石 劉方圓 谷 方

1.青島大學(xué)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，山東青島 266071；2.青島大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院放射科，山東青島 266003

肝和肝血管三維重建的臨床應(yīng)用

晁 凡1沈若武1▲張景利2趙 成1管文敏1周宇石1劉方圓1谷 方1

1.青島大學(xué)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，山東青島 266071；2.青島大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院放射科，山東青島 266003

目的 對(duì)肝臟和肝血管進(jìn)行三維重建可視化并進(jìn)行肝分段，探討其意義及臨床應(yīng)用。 方法 利用Mimics軟件對(duì)24例晚期彌漫性肝癌患者CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分割并進(jìn)行三維重建，根據(jù)每個(gè)患者肝血管的分支和Couinaud分段法對(duì)肝臟進(jìn)行個(gè)體化分段，計(jì)算肝和各肝段的平均體積。 結(jié)果 重建后獲得形態(tài)逼真的肝臟和肝血管的三維模型，測(cè)得患者全肝平均體積達(dá)（2683.26±671.53）cm3。對(duì)肝臟進(jìn)行了分段，通過三維模型能準(zhǔn)確計(jì)算出各肝段的平均體積。結(jié)論 三維重建、肝臟分段和體積測(cè)量為患者的診斷、后續(xù)治療和手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了參考，來源于活人體的三維圖形也可以用于科研和教學(xué)。

肝；肝血管；三維重建；肝切除術(shù)

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大的影響，并隨之誕生了一系列醫(yī)學(xué)相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件[1-2]，基于連續(xù)CT掃描數(shù)據(jù)集的三維重建也有了很大的發(fā)展。曾經(jīng)有學(xué)者對(duì)正常肝臟的三維重建進(jìn)行研究[3-5]，但對(duì)于肝癌患者的個(gè)體化三維重建的研究卻很少。本研究利用Mimics軟件，對(duì)24例晚期彌漫性肝癌（diffuse hepatocellular carcinoma，DHCC）患者64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分割與三維重建，并對(duì)肝的三維模型進(jìn)行了Couinaud分段，計(jì)算出各肝段的體積，顯示三維模型有重要的臨床參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 一般材料

收集2009年3月～2011年8月由青島大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院收治后被確診為未伴有病毒性肝炎的彌漫型肝癌的24例晚期DHCC患者胸腹部64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)集，男性16例，女性8例，年齡45～67歲。圖像數(shù)據(jù)分為肝動(dòng)脈期、門靜脈期和平衡期。主要掃描條件為：管電壓120 kV，管電流45.5 mAs，層厚1 mm。圖像參數(shù)：長512像素，寬512像素，像素大小0.699 mm。

1.2 研究平臺(tái)

硬件平臺(tái)：個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC），處理器 Intel（R） Core i3，安裝內(nèi)存2G，顯卡ATI Mobility Radeon HD 4500 Series。

軟件平臺(tái)：操作系統(tǒng)為Windows 7旗艦版，三維重建軟件為Mimics10.01（Materialise公司，比利時(shí)）。

1.3 圖像分割與三維重建

將動(dòng)脈期數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics，動(dòng)脈閾值確定為94～2900Hu。將動(dòng)脈的三維模型輸出為標(biāo)準(zhǔn)模板庫（standard template library，STL）格式。將平衡期數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics，運(yùn)用上述方法分割并重建出肝靜脈、門靜脈和肝臟的三維模型（其中肝靜脈和肝臟的圖像閾值設(shè)定為94～2900 Hu，門靜脈的圖像閾值設(shè)定為107～2900 Hu）。設(shè)置肝臟三維模型的透明度為低，即可同時(shí)觀察肝臟、動(dòng)脈、門靜脈和肝靜脈的三維模型（圖 1）。

1.4 肝分段和體積測(cè)量

獲得全肝和肝血管三維模型后，參考Couinaud分段法[6]同時(shí)根據(jù)每個(gè)患者個(gè)體的Glisson系統(tǒng)走行，對(duì)肝臟三維模型進(jìn)行分段。仔細(xì)觀察血管走行與肝臟的關(guān)系，根據(jù)Couinaud分段法對(duì)肝臟的三維模型進(jìn)行分割，將肝臟分為8段，并以不同顏色顯示。重建出三維模型后，軟件將自動(dòng)計(jì)算各肝段三維模型的體積，在三維模型信息中即可查看。采用構(gòu)成比計(jì)算各肝段體積占全肝體積的百分比。

2 結(jié)果

2.1 64排螺旋CT肝臟掃描數(shù)據(jù)

共收集了動(dòng)脈期、門靜脈期、平衡期3組數(shù)據(jù)，各期數(shù)據(jù)掃描起始點(diǎn)相同，掃描條件相同。動(dòng)脈期圖像中動(dòng)脈輪廓明顯，與周圍組織對(duì)比清楚，易于進(jìn)行圖像分割；穩(wěn)定期圖像中門靜脈與肝靜脈輪廓清晰，肝臟輪廓明顯，用來分割肝靜脈、門靜脈和肝臟的圖像。

2.2 圖像分割與三維重建

運(yùn)用前文中所述方法分別對(duì)肝動(dòng)脈、肝門靜脈、肝靜脈和肝臟進(jìn)行圖像分割，即可獲得各結(jié)構(gòu)的蒙版。對(duì)各蒙版進(jìn)行三維重建后即獲得三維模型，三維模型結(jié)構(gòu)清晰，立體效果好，各部位的三維模型可以從任意角度觀察，可以以多種顏色、透明化、任意組合顯示（圖1）。可以對(duì)肝臟三維模型進(jìn)行透明化處理，以同時(shí)顯示肝臟和血管，可準(zhǔn)確觀察血管在肝臟內(nèi)的走行。重建出三維模型后，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算三維模型體積。

2.3 肝分段和體積的測(cè)量

根據(jù)Couinaud分段法，同時(shí)注意觀察患者的門靜脈走行是否有變異，對(duì)肝臟的三維模型進(jìn)行切割，把肝臟分為8段，分別以不同顏色顯示。對(duì)各肝段進(jìn)行透明化顯示，可直觀地觀察各肝段內(nèi)血管的走行，并根據(jù)需要對(duì)各個(gè)部位添加標(biāo)注（圖1）?？梢詫?duì)三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小，多方位任意觀察。軟件中三維模型信息可顯示自動(dòng)計(jì)算的三維模型體積，記錄結(jié)果（表 1），全肝平均體積為（2683.26±671.53）cm3，患者全肝體積明顯增大。

表1 肝段體積的測(cè)量（±s）

表1 肝段體積的測(cè)量（±s）

平均全肝體積為（2683.26±671.53） cm3

肝段 體積（cm3） 占全肝比例（%）ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧ50.45±15.31 78.71±24.12 238.59±49.51 167.01±37.84 400.66±89.71 479.60±105.91 594.37±165.68 673.88±219.31 1.9±0.3 2.9±0.6 8.9±1.9 6.2±1.3 14.9±4.2 17.9±4.9 22.2±6.1 25.1±7.2

3 討論

3.1 肝臟、肝血管三維重建的意義

目前，醫(yī)學(xué)生和研究人員通常采用尸體標(biāo)本學(xué)習(xí)和研究肝臟病理學(xué)，在解剖尸體標(biāo)本的過程中難免對(duì)標(biāo)本造成損傷，標(biāo)本的臟器、組織結(jié)構(gòu)容易被破壞或移位，而通過紙質(zhì)解剖圖譜僅能觀察到解剖部位的某一個(gè)側(cè)面或切面，并不能直觀地觀察和學(xué)習(xí)整體的三維解剖結(jié)構(gòu)。而且，雖然目前已有許多對(duì)正常人各局部、臟器進(jìn)行三維重建的研究[3-5]，卻少有對(duì)病變臟器進(jìn)行個(gè)性化三維重建的研究。另外，醫(yī)院的大型螺旋CT都帶有三維重建功能，可以在一定程度上反映肝臟和血管的走行，但其三維重建色彩單一，不能任意組合顯示，更不能對(duì)三維模型進(jìn)行透明化處理，而且三維重建操作只能在CT工作站上進(jìn)行，具有一定的局限性。本研究在個(gè)人計(jì)算機(jī)上利用64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，重建出的三維模型可以反映出患者活體臟器的立體結(jié)構(gòu)位置和形狀，并可以以任意顏色組合顯示，可以對(duì)部分模型進(jìn)行透明化處理，三維模型在個(gè)人計(jì)算機(jī)上即可查看?；颊叩膫€(gè)性化三維模型可為臨床醫(yī)師提供參考，為肝手術(shù)方案的制訂提供相關(guān)信息[7]。由于惡性腫瘤的生長，晚期肝癌患者肝臟的形態(tài)、血管走行往往發(fā)生很大變化，與正常人有較大差異。因此，術(shù)前診斷和準(zhǔn)備非常重要，如果沒有提前準(zhǔn)備，手術(shù)過程中不加留意，很容易損傷到血管造成大出血，甚至威脅患者的生命。對(duì)肝癌患者的CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，有助于醫(yī)師在術(shù)前了解患者個(gè)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、血管深度與走行、是否有變異等，另外，也可以通過三維模型對(duì)患者肝臟進(jìn)行虛擬手術(shù)，對(duì)手術(shù)的進(jìn)行有重要指導(dǎo)意義[8-9]。

3.2 肝、肝血管的三維重建可視化基礎(chǔ)上進(jìn)行肝分段和體積測(cè)量

1954 年，Couinaud根據(jù)Glisson系統(tǒng)的分支與分布和肝靜脈的走行，把肝分為左、右肝、五葉和八段。由于肝門靜脈和肝靜脈常出現(xiàn)變異[10]，因此經(jīng)典的Couinaud分段法具有一定的局限性，數(shù)字建模需要根據(jù)患者個(gè)體的Glisson系統(tǒng)走行進(jìn)行，不能盲目程式化。本研究參考Couinaud分段法，根據(jù)各個(gè)患者Glisson系統(tǒng)走行，對(duì)其肝臟進(jìn)行分段后，將各個(gè)肝段著色，可將肝臟中血管、肝段之間的關(guān)系更加直觀地呈現(xiàn)給主治醫(yī)師，幫助其了解不同患者的不同肝臟結(jié)構(gòu)，切除肝段時(shí)，能避免傷及大血管結(jié)構(gòu)；另外，行肝臟腫瘤的切除術(shù)時(shí)，要對(duì)腫瘤所在的肝段整個(gè)切除，因?yàn)橥粋€(gè)肝段由同一套大血管供血，否則殘余組織會(huì)缺血壞死。三維肝段還可以將患者的個(gè)性化信息的定量描述提供給醫(yī)師，幫助醫(yī)師為該患者確定手術(shù)方案，提高手術(shù)成功率。同時(shí)可以行模擬手術(shù)，對(duì)手術(shù)方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估[11-12]。

進(jìn)行肝分段操作后，可以測(cè)算各肝段體積和占全肝的比例。術(shù)前可根據(jù)測(cè)算出的各肝段體積及其占全肝體積比例，計(jì)算術(shù)后殘留肝臟體積，對(duì)手術(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估。根據(jù)肝臟的個(gè)體化分段，定位腫瘤所在的肝段，荷瘤肝段應(yīng)被完全切除，可以測(cè)算切除的荷瘤肝段體積和剩余肝臟體積。實(shí)際切除的肝臟體積百分比=荷瘤肝段體積/全肝體積×100%，剩余肝臟體積百分比=1-實(shí)際切除的肝臟體積百分比。若經(jīng)體積測(cè)算后，實(shí)際切除的功能肝臟體積≤50%，則實(shí)際手術(shù)即可按照此范圍進(jìn)行[13]。利用Mimics軟件進(jìn)行肝分段并測(cè)算各肝段體積的方法，相比傳統(tǒng)的通過CT和人工測(cè)算的方法，軟件可以在重建出三維模型后自動(dòng)測(cè)算出各肝段體積，操作簡單易行，結(jié)果可靠，能為手術(shù)前預(yù)估切除肝段體積、評(píng)價(jià)手術(shù)安全性提供參考[14-15]。

另外，由于目前對(duì)病變肝臟的三維重建的研究較少，鮮有病變的三維模型可供參考，而且傳統(tǒng)病理標(biāo)本往往不能反映病變器官在活體內(nèi)的形態(tài)，本研究中進(jìn)行的DHCC三維數(shù)字化建?？梢詼?zhǔn)確地反映出患者活體內(nèi)的肝臟的形態(tài)與血管走行，為病理學(xué)、肝膽外科醫(yī)師和研究人員提供生動(dòng)形象的模型參考。通過Mimics軟件進(jìn)行肝臟分段可以極大地提高肝臟分段的正確性，更好地分析不同個(gè)體間肝臟結(jié)構(gòu)的異同。同時(shí)，擺脫了傳統(tǒng)的通過平面來描述立體肝段的方法，更加形象地將肝段結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在研究人員面前，有助于提高對(duì)肝臟結(jié)構(gòu)的了解，對(duì)疾病的診斷和治療方案的確定具有重要的參考意義。

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The clinical application of three-dimensional reconstruction of liver and liver blood vessels

CHAO Fan1SHEN Ruo-wu1▲ ZHANG Jing-li2ZHAO Cheng1GUAN Wen-min1ZHOU Yu-shi1LIU Fangyuan1GU Fang1

1.Department of Human Anatomy,Medicine College Qingdao University,Shandong Province,Qingdao 266071,China;2.Radiology Department,Affiliated HospitalofMedicineCollege Qingdao University,Shandong Province,Qingdao 266003,China

ObjectiveTo perform three-dimensional reconstruction visualization and segmentation on liver and liver blood vessels and to explore their significance and clinical application.MethodsMimics software was used to perform image segmentation and three-dimensional reconstruction on the CT scan data of 24 patients who were diagnosed with advanced diffuse hepatocellular carcinoma.Individualized segmentation was performed according to each patient′s hepatic artery branches and the Couinaud segmentation method,and the average volume of the liver and each segment were calculated.ResultsVivid three-dimensional models of liver and liver blood vessels were constructed through three-dimensional reconstruction.The average volume of the whole liver was(2683.26±671.53)cm3.After segmentation,the exact average volume of each liver segment could be calculated from the three-dimensional model.ConclusionThree-dimensional reconstruction,liver segmentation and volume measurement provide references for the diagnosis,follow-up care and surgical risk assessment of patients.Three-dimensional graphics derived from the living body can also be used for research,teaching and learning.

Liver;Liver blood vessels;Three-dimensional reconstruction;Hepatectomy

R735.7；R322.4+7；R813

A

1674-4721（2013）08（b）-0004-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81171408）；青島大學(xué)本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

晁凡（1991-），男，漢族，山東濟(jì)寧人，大學(xué)本科在讀，研究方向：臨床應(yīng)用解剖學(xué)

▲通訊作者：沈若武（1973-），副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：臨床應(yīng)用解剖學(xué)

2013-05-31 本文編輯：林利利）