腹主動(dòng)脈瘤形態(tài)學(xué)二維斷面和三維立體測(cè)量的誤差分析*

尉馳俊，邱 越，袁 丁，鄭庭輝?

(1 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院力學(xué)系， 成都 610207； 2 四川大學(xué)華西醫(yī)院血管外科， 成都 610000) (2018年5月14日收稿； 2018年7月10日收修改稿)

腹主動(dòng)脈瘤(abdominal aortic aneurysm, AAA)是指腹主動(dòng)脈管壁永久性局限性擴(kuò)張的情況。90%的腹主動(dòng)脈瘤發(fā)生于腎動(dòng)脈以下部位，稱為腎下腹主動(dòng)脈瘤。盡管75%的腹主動(dòng)脈瘤并不會(huì)出現(xiàn)明顯的臨床癥狀，但是其一旦破裂，患者的死亡率高達(dá)78%～94%[1-2]。

AAA的特征幾何參數(shù)包括AAA的最大直徑、瘤的長(zhǎng)度、瘤頸直徑與瘤頸長(zhǎng)度等都曾被推薦為判斷AAA是否破裂的重要指針[3]，但這些幾何參數(shù)和AAA破裂的相關(guān)性還并不準(zhǔn)確[4]。如目前臨床常采用腹主動(dòng)脈瘤的最大直徑作為其是否破裂的判斷依據(jù)(男性患者瘤直徑≥5.5 cm與女性患者瘤直徑≥5 cm)[5]。但是，事實(shí)上，存在部分小直徑的腹主動(dòng)脈瘤破裂，而大直徑瘤未曾破裂的現(xiàn)象[6]。

AAA的特征幾何參數(shù)對(duì)AAA手術(shù)方案的制定至關(guān)重要，目前，腔內(nèi)修復(fù)術(shù)(endovascular, EVAR)是最普遍的治療腹主動(dòng)脈瘤的方法[7-8]。在進(jìn)行手術(shù)方案制定時(shí)，醫(yī)生需要借助CT圖像測(cè)量AAA的一些特征幾何參數(shù)，如瘤頸直徑、瘤體長(zhǎng)度等來(lái)確定合適的EVAR支架的型號(hào)、長(zhǎng)度，錨定位置等等[9]。腹主動(dòng)脈瘤的幾何參數(shù)與一系列術(shù)后并發(fā)癥息息相關(guān)，包括術(shù)后內(nèi)漏、支架側(cè)移、動(dòng)脈瘤繼續(xù)增長(zhǎng)最后破裂等[10-12]，準(zhǔn)確測(cè)量其幾何參數(shù)對(duì)預(yù)防EVAR術(shù)后并發(fā)癥有著重要的意義。

目前對(duì)于AAA的幾何參數(shù)測(cè)量一般是通過(guò)對(duì)CT斷層圖像上的長(zhǎng)度和角度直接測(cè)量得到。這種二維斷層面上的測(cè)量方法(2D)所測(cè)得的僅僅是AAA真實(shí)三維數(shù)據(jù)在二維平面上的投影大小。此類投影量并不能良好地表征出AAA的空間特性(如血管的彎曲性、螺旋性和不對(duì)稱性等)。我們懷疑正是這種簡(jiǎn)單的二維斷面測(cè)量方法導(dǎo)致AAA幾何參數(shù)測(cè)量的不準(zhǔn)確性，引起AAA幾何參數(shù)與破裂相關(guān)性不明顯、不準(zhǔn)確，是引發(fā)EVAR術(shù)后系列并發(fā)癥的一個(gè)重要因素。這些空間特性可能是AAA病情的決定性因素。

本文將對(duì)多個(gè)AAA病例進(jìn)行三維模型重建，得到其三維立體測(cè)量(3D)幾何參數(shù)，并與CT圖像測(cè)得的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷二維數(shù)據(jù)是否臨床可用。進(jìn)一步，三維立體測(cè)量將提供一些CT圖像二維斷面測(cè)量無(wú)法得到的重要AAA幾何參數(shù)。

1 材料與方法

本研究遵循赫爾辛基宣言并且符合醫(yī)學(xué)倫理要求，并經(jīng)四川大學(xué)華西醫(yī)院臨床試驗(yàn)與生物醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)許可。所有數(shù)據(jù)均從匿名數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得，本實(shí)驗(yàn)為純觀測(cè)試驗(yàn)，因此省去了患者許可。病人的相關(guān)臨床信息如表1所示。

表1 AAA患者臨床信息表Table 1 Clinical parameters of AAA patients

注：Inr：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化比值(international normalized ratio);FIB：血漿纖維蛋白原(plasma fibrinogen)；PT:凝血酶原時(shí)間(prothrombin time).

本實(shí)驗(yàn)共使用34例腹主動(dòng)脈瘤資料，其中19例破裂、15例未破裂。參數(shù)測(cè)量均為使用患者的CT影像資料通過(guò)MIMICS軟件(v17.0, Materialize, Leuven Belgium)進(jìn)行二維三維圖像重建測(cè)得(圖1)。所有CT影像均為512像素×512像素，層厚1.000 mm。所測(cè)量的幾何參數(shù)如圖2所示，其中左髂總動(dòng)脈最大曲率、右髂總動(dòng)脈最大曲率、腹主動(dòng)脈瘤體表面積、腹主動(dòng)脈瘤體體積等數(shù)據(jù)使用二維斷面測(cè)量方法無(wú)法測(cè)量其大小。

圖1 腹主動(dòng)脈瘤三維模型重建示例Fig.1 Example of the reconstructed AAA model

圖2 腹主動(dòng)脈瘤手術(shù)所需參數(shù)Fig.2 Parameters needed for the AAA operation

2 結(jié)果

表2、表3為實(shí)驗(yàn)所測(cè)得參數(shù)。其中二維數(shù)據(jù)誤差=|二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)|/三維數(shù)據(jù)。

由測(cè)量數(shù)據(jù)可得：

1) 在同一動(dòng)脈瘤腎下動(dòng)脈瘤頸直徑、擴(kuò)張前瘤頸直徑及左右髂總動(dòng)脈直徑測(cè)量上，所測(cè)得的二維數(shù)據(jù)誤差普遍低于10%。由于此4處動(dòng)脈直徑均較小，實(shí)際區(qū)別應(yīng)為1 mm左右。而在同一動(dòng)脈瘤最大截面長(zhǎng)短軸測(cè)量上，所測(cè)得的二維數(shù)據(jù)誤差雖然一般低于15%，但存在部分病例誤差達(dá)到30%以上。由于動(dòng)脈瘤最大截面長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，實(shí)際區(qū)別甚至可以達(dá)到20 mm以上。

2) 對(duì)于瘤頸長(zhǎng)度及左右髂總動(dòng)脈長(zhǎng)度，所測(cè)得的二維數(shù)據(jù)普遍具有較大誤差，其中部分病例甚至達(dá)到90%以上。動(dòng)脈瘤二維斷面測(cè)量誤差在3%～40%之間均有分布，數(shù)值上最大達(dá)到96 mm。實(shí)驗(yàn)共測(cè)量4處位置的角度，所測(cè)得的數(shù)據(jù)在4°～120°范圍內(nèi)，誤差在3°～30°范圍內(nèi)。所測(cè)得角度普遍存在大角度時(shí)測(cè)量誤差小、小角度時(shí)測(cè)量誤差大的情況。二維斷面測(cè)量的角度一般會(huì)有所偏大。

表2 腹主動(dòng)脈瘤參數(shù)二維斷面測(cè)量三維立體測(cè)量結(jié)果Table 2 Parameters of abdominal aortic aneurysmmeasured using the 2D or 3D images

表3 二維斷面測(cè)量方法無(wú)法測(cè)量的參數(shù)Table 3 Immeasurable parameters forthe 2D measurement

3) 對(duì)于二維斷面測(cè)量方法無(wú)法測(cè)量的參數(shù)：破裂組動(dòng)脈瘤體體積為(341 599.65±172 374.57)mm3，表面積為(26 236.82±8 585.62)mm2；未破裂組動(dòng)脈瘤體體積為(133 953.66±60 262.88)mm3，表面積為(15 039.25±4 560.38)mm2。破裂組和未破裂組存在顯著差異。破裂組與未破裂組左髂總動(dòng)脈曲率分別為(0.058±0.027)mm-1與(0.061±0.017)mm-1，右髂總動(dòng)脈為(0.084±0.050)mm-1與(0.057±0.031)mm-1。破裂組和未破裂組不存在顯著差異，但該項(xiàng)數(shù)據(jù)個(gè)體差異較大。

3 討論

AAA的各項(xiàng)幾何形態(tài)參數(shù)對(duì)其治療有著極其重要的意義，AAA最大直徑是病人是否危險(xiǎn)、是否需要進(jìn)行手術(shù)治療的標(biāo)準(zhǔn)；瘤頸長(zhǎng)度、瘤頸彎曲角度、髂動(dòng)脈長(zhǎng)度及髂動(dòng)脈扭曲角度是是否能進(jìn)行手術(shù)及手術(shù)方案制定的判斷依據(jù)[13]。當(dāng)瘤頸長(zhǎng)度過(guò)短或髂動(dòng)脈彎曲程度較大時(shí)，EVAR手術(shù)就無(wú)法進(jìn)行[14]。準(zhǔn)確測(cè)量AAA各項(xiàng)幾何參數(shù)是獲得良好治療效果的重要一步。

從實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果來(lái)看二維斷面測(cè)量方法所得到的腎動(dòng)脈處瘤頸直徑、開始擴(kuò)張前瘤頸直徑、左右髂總動(dòng)脈直徑參數(shù)誤差較小，臨床可用。但是動(dòng)脈瘤最大截面長(zhǎng)短軸、瘤頸長(zhǎng)度、左右髂總動(dòng)脈長(zhǎng)度等參數(shù)誤差很大，尤其是與長(zhǎng)度有關(guān)的參數(shù)，誤差可高達(dá)90%。在EVAR手術(shù)中，動(dòng)脈瘤長(zhǎng)度的測(cè)量決定了手術(shù)所選取的支架的長(zhǎng)度。同時(shí)，三維立體測(cè)量所測(cè)得的左右髂總動(dòng)脈最大曲率在不同的病例中存在個(gè)體差異較大的表現(xiàn)，這對(duì)于EVAR遠(yuǎn)端錨定有著較大的影響。正確選取合理長(zhǎng)度的支架是提高手術(shù)成功概率與降低術(shù)后內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。此外，表3數(shù)據(jù)顯示在腹主動(dòng)脈瘤二維斷面測(cè)量無(wú)法測(cè)得參數(shù)中，破裂AAA表面積及體積在數(shù)值上要遠(yuǎn)大于未破裂AAA，即表面積或者體積可能可以作為新的AAA破裂指針。

二維斷面測(cè)量得到的幾何參數(shù)數(shù)據(jù)誤差原因有多種。首先，CT圖像斷面法線方向與動(dòng)脈瘤軸向不一致會(huì)引起誤差。CT圖像斷面法線方向與動(dòng)脈瘤軸向不一致是引起各項(xiàng)長(zhǎng)度誤差的最主要因素。實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，動(dòng)脈瘤在體內(nèi)通常與豎直方向存在一定的夾角，且中間時(shí)常會(huì)有彎折、扭曲現(xiàn)象。彎折、扭曲現(xiàn)象主要出現(xiàn)在瘤頸開始擴(kuò)張?zhí)幰约白笥吟目倓?dòng)脈處，因此，二維斷面測(cè)量所得瘤頸長(zhǎng)度及左右髂總動(dòng)脈長(zhǎng)度比動(dòng)脈瘤長(zhǎng)度更易產(chǎn)生較大誤差。

其次，二維斷面測(cè)量測(cè)量點(diǎn)選取困難也易引起誤差。由于二維斷面測(cè)量測(cè)量點(diǎn)的選取通常依靠肉眼的直觀判斷，同時(shí)相鄰兩張CT斷面圖像之間的區(qū)別并不明顯，往往只能判斷出測(cè)量點(diǎn)應(yīng)選取的大致范圍，而并不能確定地給出測(cè)量點(diǎn)的位置。此項(xiàng)原因在自身長(zhǎng)度較大的動(dòng)脈瘤長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)上表現(xiàn)并不明顯，但是在部分短瘤頸的腹主動(dòng)脈瘤病例的瘤頸長(zhǎng)度測(cè)量上顯得尤為突出。

第三，CT圖斷面反映的并非動(dòng)脈瘤橫截面引起誤差。通常狀況下，CT圖像的斷面反映的并非動(dòng)脈瘤橫截面，此項(xiàng)因素在動(dòng)脈瘤最大截面長(zhǎng)短軸測(cè)量上產(chǎn)生誤差最為明顯。當(dāng)所測(cè)量的動(dòng)脈瘤截面為一個(gè)斜截面時(shí)，較大可能出現(xiàn)所測(cè)得長(zhǎng)軸比實(shí)際值偏大的情況。同時(shí)，此項(xiàng)因素對(duì)確定動(dòng)脈瘤最大面積截面位置也會(huì)有所影響。當(dāng)動(dòng)脈瘤直徑變化且CT圖像斷面法線方向與動(dòng)脈瘤軸線方向不一致時(shí)，CT斷面圖像有時(shí)并不能良好地表現(xiàn)動(dòng)脈瘤面積的變化。根據(jù)CT斷面圖像判斷的動(dòng)脈瘤面積最大截面位置并非其實(shí)際最大截面位置。

第四，動(dòng)脈直徑變化引起誤差。此項(xiàng)因素主要對(duì)角度測(cè)量產(chǎn)生影響。由于二維斷面測(cè)量中，測(cè)量點(diǎn)選取常常在動(dòng)脈的壁面上，因此當(dāng)動(dòng)脈的直徑變化幅度越大時(shí)，二維斷面測(cè)量結(jié)果與實(shí)際動(dòng)脈中心線角度的偏差就會(huì)越大。因動(dòng)脈直徑變化幅度一般較小，其產(chǎn)生的角度誤差也大多在5°～20°。當(dāng)所測(cè)量的動(dòng)脈扭曲角度越大時(shí)，此項(xiàng)誤差產(chǎn)生的影響就越小。

綜上所述，二維斷面測(cè)量與三維立體測(cè)量有著各自的優(yōu)勢(shì)。二維斷面測(cè)量是一種簡(jiǎn)單快速的測(cè)量方法，能夠讓醫(yī)生快速地了解病人的大致情況，然而在高效的同時(shí)，其較大的誤差影響診斷的正確性。例如，由于動(dòng)脈傾斜或彎曲等因素，大直徑動(dòng)脈瘤與小直徑動(dòng)脈瘤在二維斷面測(cè)量中可能有著相同的直徑表現(xiàn)。如果僅使用二維斷面測(cè)量方法，并不能制定正確的治療方案。因此，在臨床上使用二維斷面測(cè)量數(shù)據(jù)并不推薦，建議使用較為準(zhǔn)確的三維立體測(cè)量數(shù)據(jù)。三維立體測(cè)量數(shù)據(jù)相較于二維斷面測(cè)量數(shù)據(jù)是一種更好的診斷標(biāo)準(zhǔn)。推進(jìn)臨床上三維立體測(cè)量的使用有助于降低錯(cuò)誤診斷的幾率，為患者提供更好的治療效果。此外，目前臨床上主要以AAA最大直徑作為衡量AAA破裂可能性大小的標(biāo)準(zhǔn)。然而，瘤體截面常常并非為圓形而是橢圓形。測(cè)量顯示，三維立體測(cè)量與二維斷面測(cè)量所得AAA瘤體最大截面長(zhǎng)軸誤差一般要小于短軸誤差。因此，在無(wú)法使用三維立體測(cè)量方法時(shí)，建議使用最大截面長(zhǎng)軸作為AAA破裂可能性主要判斷依據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)不足

為了方便進(jìn)行二維斷面測(cè)量與三維立體測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)采用三維立體測(cè)量彎曲角度來(lái)衡量二維斷面測(cè)量彎曲角度的誤差大小。由于腹主動(dòng)脈彎曲時(shí)是以曲線形態(tài)彎曲，因此使用角度并不能準(zhǔn)確地表征動(dòng)脈瘤的彎曲形態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，所測(cè)得的三維立體測(cè)量角度只能大致反映動(dòng)脈的彎曲形態(tài)。由此，本實(shí)驗(yàn)所得到的二維斷面測(cè)量角度誤差大小并不完全準(zhǔn)確。使用動(dòng)脈彎曲處的最大曲率可以使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。此外，三維立體測(cè)量所得AAA表面積和體積與AAA破裂的相關(guān)性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。