數(shù)字化三維重建技術(shù)在肝癌精準(zhǔn)肝切除術(shù)中的應(yīng)用

白軍軍，李航，孫寶震，翟振洪，季德剛

（吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 肝膽胰外科，吉林 長春 130021）

原發(fā)性肝癌（primary liver cancer，PLC，以下簡稱肝癌）是發(fā)生于肝實質(zhì)細(xì)胞或肝內(nèi)膽管上皮細(xì)胞的惡性腫瘤，具有高度惡性、隱匿發(fā)病、浸潤性強(qiáng)、預(yù)后不良等特點[1]。根據(jù)2015年中國癌癥統(tǒng)計數(shù)據(jù)提示，肝癌的發(fā)病率和病死率分別位于惡性腫瘤第4位和第3位[2]。近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的相互融合，肝癌的早期診斷和治療有明顯進(jìn)步[3]。三維重建（3D reconstruction）是對三維物體建立適合計算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型,在計算機(jī)環(huán)境下對其進(jìn)行處理、操作和分析其性質(zhì)的基礎(chǔ),也是在計算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)[4]。肝癌治療理念和思維模式日益更新，治療領(lǐng)域的特點是多個學(xué)科、多種方法共存，手術(shù)治療是提高肝癌遠(yuǎn)期生存率最重要的手段，利用計算機(jī)進(jìn)行三維重建獲得虛擬的肝臟三維影像指導(dǎo)肝癌精準(zhǔn)肝切除術(shù)是目前治療肝癌的一種新型技術(shù)體系[5-6]。

與常規(guī)CT檢查相比，Myrian肝臟三維重建軟件能更形象、直觀、多角度地顯示肝臟的解剖、脈管系統(tǒng)的走行、腫瘤的位置及其與周圍血管的相互關(guān)系[7]；通過術(shù)前行肝臟三維重建、肝臟體積的測量及肝切除術(shù)的模擬，能給術(shù)者提供準(zhǔn)確的手術(shù)切除范圍，避免切除過多肝組織，確保剩余肝臟解剖的完整和功能性肝體積的最大化[8-9]，防止術(shù)中誤傷肝臟管道，縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血量，進(jìn)而優(yōu)化手術(shù)方案，降低術(shù)后肝衰竭、膽汁漏及其他并發(fā)癥[10]。筆者對21例肝癌進(jìn)行術(shù)前評估，應(yīng)用肝臟三維重建軟件Myrian系統(tǒng)對腫瘤重新定位，分析腫瘤與周圍血管關(guān)系，虛擬切割腫瘤，計算出全肝體積（TLV）、腫瘤體積（TuV）、擬切除肝體積（vRLV）、擬切除標(biāo)本體積（vRSV）、標(biāo)準(zhǔn)肝體積（SLV）、功能性肝體積（FLV）及殘肝體積（RLV），進(jìn)而對手術(shù)方案的設(shè)計及術(shù)中策略進(jìn)行了指導(dǎo)和優(yōu)化，治療效果滿意，報告如下。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本研究選自2015年10月—2017年10月吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院肝膽外科21例直徑＞5 cm原發(fā)性肝癌。統(tǒng)計患者年齡、性別、身高、體質(zhì)量等一般資料，并計算出體表面積（BSA）和標(biāo)準(zhǔn)肝體積（SLV），其中計算公式：BSA（m2）=身高（cm）×0.0061+體質(zhì)量（kg）×0.0124-0.0099，SLV（cm3）=706.2×體表面積+2.4[11-12]。

研究對象納入標(biāo)準(zhǔn)：⑴ 無肝臟手術(shù)史，腹部無外傷史；⑵ 術(shù)前行吲哚氰綠試驗15 min滯留率（ICG15%）[13]均在10%以下；⑶ 肝內(nèi)單發(fā)病灶＞5 cm或多發(fā)病灶局限于單側(cè)可行手術(shù)切除者；⑷ 成功行手術(shù)治療。研究對象排除標(biāo)準(zhǔn)：⑴ 有嚴(yán)重心、腦、肺、腎等器官疾?。虎?全肝多發(fā)病灶或者肝外轉(zhuǎn)移，無法行手術(shù)治療；⑶ 有嚴(yán)重肝硬化；⑷ 常規(guī)CT效果差，無法重建者；⑸ 妊娠及哺乳期婦女。

1.2 三維重建方法

術(shù)前均采用多層螺旋CT機(jī)行肝臟CT平掃加增強(qiáng)檢查，1.25 mm全層薄掃，盤以醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)化圖像格式（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）存儲，刻保留數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入Myrian肝臟三維重建系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，對肝臟、肝動脈系統(tǒng)、門靜脈系統(tǒng)、肝靜脈系統(tǒng)、腫瘤進(jìn)行三維重建，并且在3D平面上虛擬手術(shù)切除。

1.2.1 肝組織提取與圖像分析 將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Myrian肝臟三維重建系統(tǒng)后，在二維CT層面（即軸狀位）上采用半自動法[12]獲得感興趣區(qū)域（regions of interest，ROI）面積，自動提取肝臟及腫瘤組織，除去相似密度的非肝臟組織（如膈肌、下腔靜脈、膽囊及肝門血管等），從肝臟膈頂部逐層至下極，在矢狀位、冠狀位手工調(diào)整，勾勒肝臟范圍，延肝臟邊緣及腫瘤邊緣逐層提取，最后啟動拉伸，系統(tǒng)自動計算獲得所勾勒的各ROI體積，用分割法在3D平面上對腫瘤虛擬切割，形成預(yù)測體積，包括全肝體積（total liver volume，TLV；TLV=TuV+FLV）、腫瘤體積（tumor volume，TuV）、功能性肝體積（functional liver volume，F(xiàn)LV）、擬切除肝體積（virtual resection liver volume，vRLV）、擬切除標(biāo)本體積（virtual resection specimen volume，vRSV；vRSV=TuV+vRLV）及殘肝體積（residual liver volume，RLV；RLV=TLV-vRLV）。對肝動脈系統(tǒng)、門靜脈系統(tǒng)、肝靜脈系統(tǒng)從一次單擊分段到手動路徑逐漸提取，形成虛擬肝臟Glisson系統(tǒng)及肝靜脈系統(tǒng)，最后計算出血管引流區(qū)域。

1.2.2 殘肝分?jǐn)?shù)的計算 殘肝分?jǐn)?shù)的計算對評估肝臟腫瘤的可切除性、降低術(shù)后并發(fā)癥具有重大意義[14]。殘肝分?jǐn)?shù)：%RLV=RLV/FLV×100%。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與手術(shù)方案的制定 根據(jù)三維重建系統(tǒng)測得的體積評估手術(shù)切除率以及術(shù)后肝衰竭可能性，結(jié)合殘肝分?jǐn)?shù)和腫瘤與血管的侵犯關(guān)系優(yōu)化手術(shù)方案，盡可能在切除腫瘤病灶的基礎(chǔ)上，保留正常肝臟組織，避免切除過多肝臟組織。

1.3 術(shù)中離體標(biāo)本重量及體積測定

手術(shù)中切除的離體肝臟及腫瘤標(biāo)本，放置于電子稱重儀上稱重，記錄標(biāo)本重量，繼續(xù)用排水法測量標(biāo)本體積，得到術(shù)中實際標(biāo)本重量（actual resection specimen weight，aRSW）、實際標(biāo)本體積（actual resection specimen volume，aRSV）。

1.4 觀察指標(biāo)

統(tǒng)計術(shù)前三維重建計算的肝臟相關(guān)體積，選擇合適的手術(shù)方案，與術(shù)中實際采用的手術(shù)方案對比，統(tǒng)計術(shù)中出血量、平均手術(shù)時間、術(shù)后并發(fā)癥、及圍手術(shù)期病死率，將三維重建軟件計算的vRSV與aRSV比較，將aRSV與vRSV、aRSW與vRSV、aRSW與aRSV做相關(guān)性分析。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

所有資料采用Excel軟件建立數(shù)據(jù)庫后，應(yīng)用Graphpad prism 7.0進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。計量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，組間數(shù)據(jù)比較采用配對t檢驗，相關(guān)性分析采用Pearson檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 一般資料

21例患者，男17例（81%），女4例（19%）；年齡29～71歲，平均年齡（56.4±13.3）歲；身高157～180 cm，平均身高（167.6±6.1）cm；體質(zhì)量55～82 kg，平均（67.9±7.8）kg；術(shù)前Child-Pugh分級，其中A級16例（76%），B級5例（24%），C級未納入本研究。甲胎蛋白1.6～2 000 μg/L。腫瘤位于肝右葉8例，中肝葉3例，左葉6例，其他位于肝段或者不規(guī)則腫瘤4例。

2.2 肝臟三維重建軟件對管道系統(tǒng)重建結(jié)果分析

21例術(shù)前應(yīng)用Myrian肝臟三維重建軟件進(jìn)行肝臟及內(nèi)部脈管結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建。重建后的三維圖像形態(tài)逼真，立體感強(qiáng)，能從軸位、冠狀位及矢狀位多角度顯示肝臟各血管間復(fù)雜的解剖關(guān)系，血管與腫瘤的毗鄰關(guān)系形成鮮明的對比。在對21例進(jìn)行肝外動脈重建時，其中2例變異左肝動脈（replaced left hepatic artery，rLHA）來自于胃左動脈（left gastric artery，LGA），4例變異右肝動脈（replaced right hepatic artery，rRHA）起自腸系膜上動脈（superior mesenteric artery，SMA），分別屬于Michels分型的II型和III型。門靜脈系統(tǒng)和肝靜脈系統(tǒng)與腫瘤的空間位置關(guān)系均能直觀、清晰的辨識，特別是對于存在腫瘤侵犯脈管結(jié)構(gòu)的情況。肝臟三維重建可以給術(shù)者構(gòu)造立體畫像，避免術(shù)中誤傷血管[15]，減少術(shù)后出現(xiàn)肝臟缺血及其他嚴(yán)重并發(fā)癥。

2.3 病例介紹

患者1 男，54歲。診斷為原發(fā)性肝癌，在用Myrian肝臟三維重建軟件對肝內(nèi)門靜脈系統(tǒng)、肝靜脈系統(tǒng)、肝外動脈重建，分割定位腫瘤，對腫瘤虛擬切除。重建后的圖像顯示該患者rRHA來自于SMA，二維CT不能很好的辨識出來，三維重建的影像顯示清晰、直觀（圖1）。

患者2 女，60歲。診斷為原發(fā)性肝癌，在用Myrian肝臟三維重建軟件重建，分割定位腫瘤，腫瘤位于右半肝，腫瘤最大直徑約11.9 cm，三維重建結(jié)果顯示，門靜脈左右支毗鄰腫瘤，并且存在一定程度的擠壓、變形，甚至侵犯門靜脈。巨大肝癌（腫瘤直徑＞10 cm）往往對肝臟脈管結(jié)構(gòu)造成不同程度的擠壓和侵犯，在精準(zhǔn)肝切除時，精確的肝臟體積及殘留肝體積的計算尤為重要（圖2）。

圖1 患者1相關(guān)圖片 A：二維圖像基礎(chǔ)上對感興趣區(qū)域染色；B：與A同一層面的二維圖像；C：重建后的模型（肝臟、腫瘤及vRLV）；D：術(shù)中實際術(shù)野，箭頭處為右肝動脈；E-F：實際標(biāo)本Figure 1 Pictures from the cases 1 A: Staining of the regions of interest based on two-dimensional image; B: Two-dimensional image of the same plane of A; C: Reconstructed model (liver, tumor and vRLV); D: Intraoperative view and arrow showing the right hepatic artery;E–F: Actual specimen

圖2 患者2相關(guān)圖片 A-B：二維層面基礎(chǔ)上染色后的圖像；C：冠狀位角度成像；D：矢狀位角度成像；E：成像后的肝臟后面觀，可以多角度旋轉(zhuǎn)，任意方向分析比較；F：術(shù)中實際標(biāo)本Figure 2 Pictures from the cases 2 A–B: Staining of the regions of interest based on two-dimensional image; C: Coronal image; D:Sagittal image; E: Posterior view of the liver after imaging offering multidimensional rotations and arbitrary direction comparison; F:Actual specimen

2.4 術(shù)前虛擬肝臟體積與術(shù)中實際標(biāo)本體積相關(guān)性分析

全組21例術(shù)前三維重建的結(jié)果見表1，TLV為（1 827.9±314.8）cm3，TuV為（593.4±283.2）cm3，vRLV為（511.2±180.0）cm3，vRSV為（1 104.6±292.3）cm3。術(shù)后測量aRSW為（1 212.9±278.46）g，用排水法測量aRSV為（1 101.0±280.4）cm3。

表1 21例肝癌患者術(shù)前三維重建數(shù)據(jù)Table 1 Data of three-dimensional reconstruction of the 21 liver cancer patients

肝臟三維重建軟件計算的vRSV與術(shù)中aRSV進(jìn)行組間數(shù)據(jù)比較，采用配對t檢驗分析，結(jié)果提示差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.76），表明三維重建結(jié)果與肝臟實際情況十分接近。Pearson檢驗相關(guān)性分析提示，aRSW與aRSV、aRSW與vRSV、aRSV與vRSV呈高度正相關(guān)（r=0.9964、0.9201、0.9345，均P＜0.0001）（圖3）。

圖3 21例肝癌患者vRSV、aRSW和aRSV的相關(guān)性分析Figure 3 Correlation analysis among vRSV, aRSW and aRSV in the 21 patients

2.5 手術(shù)結(jié)果及術(shù)后恢復(fù)情況

21例術(shù)中手術(shù)方案與術(shù)前通過三維重建軟件虛擬手術(shù)方案一致（100%，21/21），平均手術(shù)時間（149.76±51.8）min，術(shù)中出血量（350.00±247.8）mL，平均住院日為（18.82±4.6）d。

引流管少量出血2例；術(shù)后膽汁漏1例；大量腹腔積液4例，經(jīng)腹腔穿刺引流、保肝等對癥治療后恢復(fù)正常，少量積液未給予處理；嚴(yán)重的肺部感染及胸腔積液各1例，經(jīng)胸腔穿刺引流、抽液、抗感染等治療后痊愈；下肢靜脈血栓1例，保守治療后好轉(zhuǎn)；切口感染3例。無圍手術(shù)期死亡，無肝衰竭。

3 討 論

肝癌治療的任何方法都是以改善患者生活質(zhì)量，延長患者生存期為目的，而外科手術(shù)切除術(shù)仍占主導(dǎo)地位，是根治性高、治療較為徹底的治療方式[16]。肝臟解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，血供豐富，血管變異多見，肝組織質(zhì)脆、易出血，較晚期肝癌腫瘤與重要血管及膽管緊密粘連，肝臟切除手術(shù)難度加大。本課題研究中發(fā)現(xiàn)2例rLHA來至于LGA，4例rRHA起自SMA（圖1），部分腫瘤毗鄰甚至壓迫門靜脈系統(tǒng)（圖2）。肝臟數(shù)字化三維重建系統(tǒng)的應(yīng)用在術(shù)前形成立體的畫面，術(shù)中更好避免誤傷這些血管、膽管，減少術(shù)后殘留肝的缺血或壞死的可能性[17]，有利于精準(zhǔn)肝切除并縮短手術(shù)時間。Radtke等[18]和國內(nèi)學(xué)者唐敏等[12]在其研究中發(fā)現(xiàn)肝段水平血管系統(tǒng)變異率約為 67%；Erbay等[19]研究發(fā)現(xiàn)肝內(nèi)血管變異發(fā)生率高達(dá)70%，因此術(shù)前充分了解肝內(nèi)血管系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)及變異，重新定位肝臟腫瘤，對肝臟手術(shù)方案的制定、手術(shù)的預(yù)后及并發(fā)癥的早期發(fā)現(xiàn)和處理都有重要的意義。但是我們的研究結(jié)果也提示，Myrian肝臟三維重建軟件對肝內(nèi)血管的末端分支顯示成像不理想，這與肝臟血管對造影劑的攝取時限以及三維重建軟件對血管類型及細(xì)微血管的成像方式有關(guān)，有學(xué)者在應(yīng)用Myrian三維重建軟件對門靜脈血管成像的研究結(jié)果提示，Myrian 三維重建軟件較常規(guī)二維CT有其獨特的優(yōu)點，門靜脈期可以顯示4級及4級以上分支[20]。

肝癌經(jīng)常合并有肝實質(zhì)損害，特別是巨大肝癌患者。巨大肝癌指腫瘤直徑＞10 cm的肝細(xì)胞癌，目前手術(shù)治療仍為首選的治療方法[21-22]。巨大肝癌在手術(shù)切除的過程中，往往遇到腫瘤體積過大和腫瘤壓迫重要血管（圖2），術(shù)前由于未合理進(jìn)行肝臟體積評估，導(dǎo)致術(shù)后出現(xiàn)肝功能衰竭，成為圍術(shù)期死亡的重要原因[23-24]。因此，術(shù)前精確計算肝臟體積、虛擬手術(shù)切除對術(shù)中治療方案的選擇以及降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生具有重要意義。RLV/SLV（%）和RLV/FLV（%）及肝臟體積測量能客觀地反映肝臟的大小和肝實質(zhì)容量，結(jié)合術(shù)前Child-Pugh分級評估，肝功能儲備測定（吲哚青綠試驗）、以及患者自身情況，可以及時調(diào)整手術(shù)方案，對精準(zhǔn)肝切除提供重要的依據(jù)。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，三維重建對術(shù)前肝體積測量在肝癌精準(zhǔn)肝切除的應(yīng)用日益廣泛。本研究利用三維重建軟件Myrian系統(tǒng)，結(jié)合二維CT客觀、準(zhǔn)確等特點，將斷層圖像進(jìn)行三維重建，進(jìn)而計算出感興趣肝臟的體積，通過術(shù)前精確的肝體積測量、腫瘤與脈管系統(tǒng)的分析，減少了肝癌精準(zhǔn)肝切除術(shù)中出血及術(shù)后膽汁瘺和肝功能障礙，甚至肝衰竭和死亡的發(fā)生率[25]。本課題全組病例的三維重建圖像均清晰顯示了肝內(nèi)脈管系統(tǒng)的立體形態(tài)及其與腫瘤的空間解剖關(guān)系，對肝段可以個體化分段以及體積測量，對腫瘤能形成精確的定位。本研究全組患者，aRSW與aRSV、aRSW與vRSV、aRSV與vRSV的相關(guān)性分析結(jié)果顯示差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，術(shù)前擬切除標(biāo)本體積與實際標(biāo)本體積大致相符，說明Myrian三維重建軟件準(zhǔn)確性高的特點。并且，在三維可視化模型上，我們可以反復(fù)，多次對腫瘤進(jìn)行虛擬切除，通過對不同虛擬切除的肝臟體積的比較，以及切除平面的觀察，可明確各脈管系統(tǒng)的切除與保留情況、剩余肝臟體積和腫瘤切緣的大小，進(jìn)而選擇出對患者更加適合的手術(shù)方式。

本研究全組患者實際手術(shù)切除過程與術(shù)前虛擬切除完全一致，手術(shù)順利，術(shù)后并發(fā)癥少，恢復(fù)快，圍手術(shù)期無病例死亡。顯示了術(shù)前肝臟三維重建對精準(zhǔn)肝切除治療原發(fā)性肝癌的重要價值。