三維可視化及3D打印在精準(zhǔn)肝切除手術(shù)中的應(yīng)用

商搏世 石光林 徐洪來(lái) 肖敏 高聰 梁瀟帝 王光正

摘? 要：為了給肝癌病人做的肝切除手術(shù)能更精準(zhǔn)進(jìn)行，測(cè)量出需要切除與保留的肝臟體積，更好地制定出手術(shù)的具體方案，將一名女性肝右葉肝細(xì)胞性肝癌患者的肝臟CT圖像導(dǎo)入Synapse 3D軟件中進(jìn)行圖像處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)肝臟模型的三維重構(gòu);然后根據(jù)血管和腫瘤所在位置分析出需要切除的范圍，區(qū)分出肝臟三維模型的切除部分和保留部分并進(jìn)行體積測(cè)量;根據(jù)肝臟的三維模型運(yùn)用3D打印技術(shù)分別打印出肝臟的2個(gè)部分.結(jié)果表明：肝臟切除手術(shù)順利進(jìn)行，切除實(shí)質(zhì)部分與3D打印模型相似，經(jīng)過(guò)測(cè)量，手術(shù)切除肝臟部分的體積符合預(yù)估.

關(guān)鍵詞：肝臟;醫(yī)學(xué)影像三維重構(gòu);3D打印;精準(zhǔn)肝切除;體積測(cè)量

中圖分類號(hào)：TP273;R575? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.03.008

0? ? 引言

肝癌在各種癌癥中的發(fā)病率很高，而且治療起來(lái)十分困難，給人民的生命健康帶來(lái)了極大的威脅，而治療癌癥最主要的方法是進(jìn)行外科手術(shù).

在過(guò)去的肝癌治療中，手術(shù)往往取決于醫(yī)生自己的經(jīng)驗(yàn).一般是對(duì)患者進(jìn)行CT或MRI檢查來(lái)觀察肝臟的具體情況，制定手術(shù)方案.然而肝臟的組織十分復(fù)雜，因此，這種傳統(tǒng)的手術(shù)方法精度并不高，效率也有所欠缺[1].

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，醫(yī)學(xué)影像三維重構(gòu)結(jié)合3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用日益增多[2-3]，且應(yīng)用于肝臟方面的研究也日益得到重視.對(duì)于肝癌的治療，醫(yī)學(xué)影像三維重構(gòu)使得肝臟的血管、病灶等得以直觀清晰的顯示，這讓醫(yī)生們更容易實(shí)現(xiàn)精確肝切除的理想目標(biāo)，這是一種運(yùn)用合理的科學(xué)理論和技術(shù)，提高治療方案精度和效率的全新手術(shù)理念.精準(zhǔn)肝切除是在保證手術(shù)治療效果的前提下追求對(duì)患者肝臟的損傷最小[4].

目前，肝臟的醫(yī)學(xué)影像三維重構(gòu)大多采用mimic軟件[5-6]，其在腫瘤的供血血管重建等技術(shù)方面還有一定的欠缺.本文提出運(yùn)用Synapse 3D在術(shù)前對(duì)肝臟進(jìn)行測(cè)量和分割，利用其專利的圖像識(shí)別引擎技術(shù)進(jìn)行血管自動(dòng)分割和算法分析，并對(duì)肝臟模型進(jìn)行3D打印，幫助醫(yī)生方便、快捷地對(duì)病灶進(jìn)行定量分析和制定治療計(jì)劃，有效提高診斷準(zhǔn)確性和治療成功率[7-9].

1? ? 方法

1.1? ?Synapse 3D肝臟的三維重建

選取一名肝右葉肝細(xì)胞性肝癌的女性患者.患者的資料：腹部三期增強(qiáng)CT圖像，層厚1 mm，100 kV，244 mA（500 ms），選擇三期（動(dòng)脈期，門靜脈期和平衡期）圖像，進(jìn)入肝臟分析應(yīng)用.CT圖像如圖1所示.

肝臟三維重建步驟：1）用Synapse 3D軟件自動(dòng)提取肝臟，若肝臟沒(méi)有被完整提取，則進(jìn)行手動(dòng)提取，直到肝臟確認(rèn)被完全提取;2）使用配準(zhǔn)將三期圖像進(jìn)行對(duì)齊以消除在檢查過(guò)程中的位移造成的器官錯(cuò)位;3）使用自動(dòng)識(shí)別功能依次對(duì)下腔靜脈，肝動(dòng)脈，門靜脈，肝靜脈進(jìn)行識(shí)別和提取;4）使用占位功能，畫(huà)出腫瘤的最大直徑，將腫瘤自動(dòng)提取，并用修改功能標(biāo)記出腫瘤邊界，將腫瘤提取完整;5）使用組織生長(zhǎng)功能勾畫(huà)膽囊以及肝外膽管，可提取出膽囊;6）對(duì)重建的三維模型進(jìn)行觀察，可在器官列表中讓器官顯示、半透明、隱藏處理，使得更好對(duì)肝臟模型進(jìn)行觀察.

1.2? ?肝臟體積的測(cè)算

在肝切除術(shù)中，術(shù)后剩余的功能性肝實(shí)質(zhì)不足以維持人體正常的代謝功能而導(dǎo)致的器質(zhì)性衰竭是患者手術(shù)后死亡的最主要原因[10-11].因此，切除部分（病灶）和剩余部分的體積是探究的一個(gè)重點(diǎn).為了進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，使用流域分析功能，根據(jù)腫瘤所在的門靜脈分支，得到腫瘤流域（P5、P6、P7、P8d）的體積以及所占百分比，此為切除部分，剩下的則是保留部分.同樣，其他各部分的體積也可計(jì)算出來(lái)[12]，如圖2所示.

最后測(cè)量出患者肝臟實(shí)質(zhì)的總體積為? ? ? ? ? ? ? 1 001 mL，腫瘤的大小為402 mL，位于肝右葉，病灶相對(duì)較大.預(yù)計(jì)切除部分的肝臟實(shí)質(zhì)體積為? ?495 mL，加上腫瘤總共切除體積為897 mL，剩余肝臟實(shí)質(zhì)體積為506 mL，剩余肝臟實(shí)質(zhì)體積滿足手術(shù)的要求，可以進(jìn)行手術(shù).

1.3? ?肝臟模型的3D打印

在進(jìn)行肝臟模型的3D打印前需對(duì)模型進(jìn)行處理.將三維重建好的患者肝臟三維模型導(dǎo)入Materialise Magics 22.0中，如圖3所示，其中：肝動(dòng)脈（artery）不影響手術(shù)方案，將其隱藏;剩余肝臟實(shí)質(zhì)（liver）、下腔靜脈（IVC）、膽囊（gallbladder）為手術(shù)需要保留的部分;而腫瘤（high tumor）、切除肝臟實(shí)質(zhì)（P5、P6、P7、P8d）為手術(shù)需要切除的部分;門靜脈（potal）、肝靜脈（vein）、囊腫（low tumor）分為切除部分和保留部分.因此，將liver、IVC、gallbladder作為一個(gè)整體，分別與potal、vein、low tumor進(jìn)行布爾交集運(yùn)算，得到potal、vein、low tumor的保留部分;將high tumor、P5、P6、P7、P8d作為一個(gè)整體，分別與potal、vein、low tumor進(jìn)行布爾交集運(yùn)算，得到potal、vein、low tumor的切除部分.把整個(gè)模型的各個(gè)部分之間分別進(jìn)行布爾差集運(yùn)算，消除它們之間所存在的干涉，為接下來(lái)的3D打印做好準(zhǔn)備.把手術(shù)要保留的部分和要切除的部分分別保存為2個(gè)stl文件.

將保存的2個(gè)文件分別導(dǎo)入切片軟件中，把2個(gè)模型置于打印平面當(dāng)中，并通過(guò)調(diào)整位置使2個(gè)部分相離.旋轉(zhuǎn)模型，調(diào)至適合，使支撐所用材料較少.為了節(jié)省材料、縮小打印時(shí)間，將模型按? ? ? 1∶0.5進(jìn)行縮放.調(diào)整模型的顏色，為了讓肝臟內(nèi)部的情況能夠更好顯現(xiàn)，把剩余的肝臟實(shí)質(zhì)設(shè)置為完全透明的顏色，而血管之間為了能夠互相區(qū)別，設(shè)置為不同的顏色加以區(qū)分，其中IVC設(shè)置為藍(lán)色，potal設(shè)置為粉紅，vein設(shè)置為淡藍(lán).切除的肝臟實(shí)質(zhì)部分P5、P6、P7、P8d顏色接近全透明，加以不同的淺顏色區(qū)分.腫瘤使用黃色、膽使用綠色.如圖4所示.

調(diào)整好打印設(shè)置后進(jìn)行切片，連接到彩色打印機(jī)即可開(kāi)始打印，打印過(guò)程大約為8 h，待到打印完成，將模型取出進(jìn)行后處理：去除支撐部分，將模型進(jìn)行打磨，表面涂上光油，使模型看起來(lái)更加通透，讓里面的血管等部分能夠清晰可見(jiàn).最終打印出來(lái)的模型如圖5所示.

2? ? 手術(shù)結(jié)果

2.1? ?進(jìn)行手術(shù)

外科醫(yī)生根據(jù)三維模型的圖像信息即可確定出需要切除的部分，制定出精準(zhǔn)肝切除的手術(shù)方案，在3D打印模型的直觀顯現(xiàn)下，外科醫(yī)生在手術(shù)時(shí)得到了更好的引導(dǎo)，手術(shù)最終順利進(jìn)行，病人在術(shù)后恢復(fù)順利.3D模型協(xié)助手術(shù)如圖6所示.

2.2? ?實(shí)物與模型對(duì)比

將手術(shù)切除出來(lái)的病灶部分實(shí)物與打印出來(lái)的模型進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示，可以看出離體肝臟標(biāo)本與模型基本一致，這表明3D打印的模型符合實(shí)際情況，能正確引導(dǎo)手術(shù)的順利進(jìn)行.

2.3? ?離體肝臟標(biāo)本體積測(cè)量

由于進(jìn)行手術(shù)后肝臟出血，因此，預(yù)估實(shí)物體積會(huì)比仿真體積有所減小[13].運(yùn)用水測(cè)法[14]對(duì)實(shí)物進(jìn)行體積測(cè)量：由于肝臟的密度與水的密度比較相近，因此，水測(cè)法通過(guò)測(cè)量肝臟的排水體積可以測(cè)算出肝臟的自身體積.通過(guò)手術(shù)切除的肝臟標(biāo)本需快速用保鮮膜包裹創(chuàng)面，并盡快對(duì)離體肝臟標(biāo)本進(jìn)行測(cè)量.具體測(cè)量方法：將離體肝臟標(biāo)本放入裝有水的量筒內(nèi)，使水漫過(guò)標(biāo)本，測(cè)出前后的水位差.

測(cè)量結(jié)果如圖8所示，量筒原有水的體積為400 mL，加入肝臟標(biāo)本后的體積為1 010 mL，可以計(jì)算出肝臟標(biāo)本的體積為610 mL，由于出血，和仿真結(jié)果的體積897 mL相比有所縮小，符合前期預(yù)估.

3? ? 結(jié)論

本文通過(guò)Synapse 3D軟件對(duì)患者的肝臟CT圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，并對(duì)肝臟實(shí)質(zhì)的切除部分和保留部分進(jìn)行了體積測(cè)量;然后將三維重構(gòu)的模型進(jìn)行3D打印，幫助醫(yī)生制定肝切除的手術(shù)方案，引導(dǎo)醫(yī)生在手術(shù)中的操作;最后，用水測(cè)法測(cè)量離體肝臟標(biāo)本的體積，發(fā)現(xiàn)與仿真測(cè)量的體積相比有微量縮小，符合邏輯，說(shuō)明仿真測(cè)量體積的準(zhǔn)確性.醫(yī)學(xué)影像三維重構(gòu)對(duì)術(shù)前的方案定制、術(shù)中進(jìn)行操作以及術(shù)后進(jìn)行評(píng)估都有幫助，而進(jìn)行肝臟的3D打印能實(shí)時(shí)引導(dǎo)腫瘤病灶的切除，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性，因此，三維重構(gòu)結(jié)合3D打印能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有利于進(jìn)行精準(zhǔn)肝切除手術(shù).

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Application of 3D visualization and 3D printing in

precise hepatectomy

SHANG Boshi1， SHI Guanglin*1， XU Honglai2， XIAO Min2， GAO Cong3， LIANG Xiaodi1，

WANG Guangzheng1

（1.School of Mechanical and Traffic Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2. Liuzhou People's Hospital， Liuzhou 545006， China; 3. Liuzhou Xinding Technology Co.， Ltd.， Liuzhou 545000， China）

Abstract： A CT image of a woman's liver from the right hepatocellular carcinoma lobe was processed in Synapse 3D to create a three dimensional reconstruction of the liver model to make the hepatectomy more accurate， measure the volume of the liver that needs to be removed and retained， and better? ? ? ?formulate the concrete plan for the operation. Then the area to be removed was then analyzed based on the? location of the blood vessels and the tumor. Two parts of the liver were printed by 3D printing? ? ? ? ? ?technology according to the three-dimensional model of the liver. The results show that The? ? ? ? ? ? ? hepatectomy was carried out successfully. The solid part of the hepatectomy was similar to the 3D? printing model.

Key words： liver; three dimensional reconstruction of medical image; 3D printing; precise hepatectomy; volume measurement

（責(zé)任編輯：黎? ? 婭）