3D技术在肝癌外科的临床应用研究

论文摘要

研究背景：手术切除目前仍是原发性肝癌的首选治疗方法,如何能在术前获得精确的肝脏解剖图像数据,如何将该二维数据快速准确进行三维重建以真实还原活人体器官的原始面貌,如何根据术前获取的疾病信息选择最佳的手术方案都是肝脏外科医师术前要解决的关键问题。断层扫描医学设备（CT、MRI等）的问世,将一维的平片时代改写到二维的断层时代,改变了一维图像器官重叠、层次不清的缺点。断层的二维图像虽然解决了上述问题,然而器官的连续性、直观性、冠状面矢状面水平面三面的整合及动态展示性依然不能得到很好的解决。随着中国数字虚拟人数据集的建立、多层螺旋CT采集技术的发展以及与计算机图像处理技术的充分结合,各国3D医学软件相继问世并广泛应用于临床。目前国外的3D医学软件大多是基于CT图像数据进行三维重建,可以重现活人体的骨骼、内脏、血管、肿瘤等的解剖位置关系,实现空间3D的动态观察,然而国外的3D医学软件大都价格昂贵,对软组织的图像分割尚较困难,且不具有仿真手术器械,3D后不能进行仿真手术,限制了其广泛应用。本研究运用自行研发的医学图像三维可视化系统（medical image three-dimensional visualization system,MI-3DVS）,基于活人体的肝脏薄层CT图像数据进行快速准确的三维重建,根据肝内门静脉和肝静脉走行分布个体化划分肝段以此定位肿瘤,实行虚拟预切除并测定残肝体积,选择最佳的手术方案后进行仿真手术演练指导实际手术,再以实际手术探查的结果反馈仿真手术和三维重建结果,真正实现了肝癌外科解剖数字化、诊断程序化、手术可视化。目的：1.基于CT的二维活人体亚毫米肝脏图像数据快速准确转换成3D模型的研究；2.正常3D门静脉变异对肝脏分段影响的研究；3.3D技术对肝癌术前规划的指导价值研究；4.仿真手术与真实手术的相互指导研究。方法：1.材料：（1）南方医科大学珠江医院影像中心64排螺旋CT—PHILIPS Brilliance64（荷兰PHILIPS公司）及其图像后处理工作站（PHILIPS Brilliance64层螺旋CT自带的Mxview工作站）；（2）南方医科大学数字医学研究中心临床医学部HP刀片式服务器、腹部医学图像三维可视化系统（MI-3DVS）、虚拟手术器械仿真系统；（3）DICOM查看器；（4） ACDSee10.0图片转换软件。2.对象：2008年6月至2010年9月我科收治的100例非肝脏外科疾病患者的上腹部CT图像数据；45例我科收治的肝脏肿瘤患者的上腹部CT图像数据,其中男34例,女11例；年龄13～76岁,平均年龄45.8岁。3.二维图像数据获取：（1）扫描参数：上腹部CTA,管电压120KV、管电流300mAs、每旋转1周时间为0.5s、螺距（pitch）0.984、层厚5mm；（2）扫描分为四期：平扫期、动脉期、门脉期、延迟期,四期扫描完成后将5mm层厚图像数据剪薄至1mm层厚；（3）扫描前准备：患者禁食水4小时以上,扫描前20分钟饮清水300ml充盈胃肠道,右肘静脉留置红色套管针术中注射造影剂用,造影剂为优维显370。增强扫描期造影剂的注射速率为5ml/s,扫描时间每期5s,根据测量主动脉的造影剂峰值自动触发动脉期扫描,扫描时间段一般是注射造影剂开始后的第20～25s,门脉期扫描时间段一般为第50～55s,门脉期扫描结束后立即进行延迟期扫描；（4）数据获取：在Mxview图像后处理工作站上将该四期图像数据通过专线内网传输至数字医学研究生中心临床部HP刀片式服务器,导出存盘。4.二维图像数据转3D模型：将二维图像数据经DICOM查看器进行批量格式转换和ACDSee10.0图片转换软件进行批量图像调整处理后,导入MI-3DVS进行快速图像分割、三维重建,分别制作肝脏、肝动脉、门静脉、肝静脉及下腔静脉的3D模型,各个模型完成3D后实现自动配准。5.术前规划：（1）个体化肝脏分段：采用半手工标识点分段法,以肝内血管（门静脉和肝静脉）的一级和二级分支作为分段依据,脉管变异的肝脏采取标识点分段和手工分割相结合,根据Couinaud肝段划分原则,肝静脉主干走行于肝段交界、门静脉分支走行于肝段内部,各段有独立的血液供应和回流路径原则,个体化划分肝段,肝段划分后肿瘤即可在肝内被准确定位；（2）体积测算：三维重建后的3D模型采用MI-3DVS体积测量模块分别测算去瘤肝脏和瘤体的体积。通过三维立体、多角度观察肿瘤与肝内门静脉、肝静脉及下腔静脉主干的关系,任意组合观察。根据肿瘤的位置、按照个体化的肝脏分段划定预切除范围并进行虚拟的解剖性肝段切除,测算切除的荷瘤肝脏体积和剩余肝脏体积,这样实际切除的功能肝脏体积百分比=（切除的荷瘤肝脏体积-瘤体体积）/去瘤肝脏体积×100%,剩余肝脏体积百分比=1-实际切除的功能肝脏体积百分比（肿瘤细胞不具备肝细胞功能,称其为无效体积；除肿瘤之外的肝脏是正常的肝细胞团,称其为功能肝体积）。6.仿真手术与真实手术相互指导：利用虚拟手术器械仿真系统,建立仿真的手术环境,制定个体化的最佳手术切除方案,进行虚拟的手术切除,演练手术步骤,以此指导临床手术,规避术中可能遇到的大出血风险；真实手术完成后再反馈指导仿真手术以进一步改进和完善。7.统计学方法：本研究是图文观察与3D模型处理,不涉及统计内容。结果：1.100例非肝脏疾病患者的门静脉共可分为5种类型,每一类型均有一与之相对应的个体化肝脏分段：Ⅰ型为常见型,80例,门静脉主干在入肝门后分为左支和右支,左支分为水平走行的少分支的横段和末端多细小分支的脐段,右支同时分为前上和后下两分支,此种类型的肝脏根据门静脉划分为8段,即Couinaud分段；Ⅱ型,12例,门静脉左支和右前支共干从主干分出,右后支单独从主干发出,此类型肝脏分段左肝部分与Couinaud分段相同,右肝的Ⅴ、Ⅷ段狭长,位置关系为左右关系,由右前分支供血；Ⅲ型,6例,门静脉入肝后先发出左支,继而发出右后支,最后发出右前支,此类型的肝脏右前支单独供应Ⅴ段,Ⅴ段狭长,与Ⅵ、Ⅷ二段呈左右关系,右后支供应Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ段；Ⅳ型,1例,门静脉主干先发出左支和右支,右支末端呈三叉状,右肝分只为三段；Ⅴ型,1例,门静脉海绵样变,肝段无法划分。2.45例肝脏肿瘤患者的CT二维图像数据显影清楚：肝动脉、门静脉、肝静脉和下腔静脉、肝脏、肿瘤均清晰可见,肝动脉显示到肝内二级分支,门静脉显示到肝内三级分支,肝静脉显示到肝内三级属支,下腔静脉显示清楚,与肿瘤解剖位置关系明确。3.45例肝癌患者根据其肝内肝静脉和门静脉的走行分布区域,个体化划分为7种类型肝段：常见型,与Couinaud分段相同,共21例；未分型,共6例；右肝未分型,共11例；左肝未分型,共4例；右肝静脉型,共1例；肝中静脉双支型,共1例；右后下静脉型,共1例。4.术式：39例患者行开腹肝癌切除手术,术前评估的平均剩余肝脏体积比为74.3%±16.5%,实际手术操作中,所结扎的血管、所切除的范围及采取的术式与术前三维重建、仿真手术完全一致；6例患者因肿瘤巨大残肝体积不足以代偿或肿瘤侵犯下腔静脉而未行开腹手术,行TACE术,此6例患者,DSA造影显示肝内肿块巨大,血供丰富,呈“抱球征”,注入碘油后见肿块内部碘油沉积完全,符合原发性肝癌的造影特点。5.预后：39例开腹手术患者的术后病理报告均为肝细胞性肝癌,45例患者术后未发生急性肝功能衰竭、出血、胆汁漏等并发症,生活质量较术前改善,患者出院后均随访6个月,无瘤或带瘤生存良好。结论：1.门静脉是肝脏的主要供血血管,其变异较为常见,不同类型的门静脉,其相应的肝脏分段根据其分布区域体现出个体化特点,与Couinaud分段不完全相同；2.3D模型来源于活人体的图像数据,真实再现了肝脏、肝内血管、肿瘤在体时的原始解剖位置关系,真正实现了活人体解剖数字化和疾病诊断程序化；3.3D技术进行个体化肝脏分段、体积测算及术式选择等术前规划,制定仿真手术方案并进行演练,真正实现了仿真手术可视化；4.根据仿真手术演练的方案进行剖腹探查,根据探查结果决定实际术式,仿真手术与实际手术完全符合,3D技术对肝癌外科具有无创、快速而且精准的指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 参考文献
• 第一章 正常3D门静脉变异对肝脏分段影响的研究
• 引言
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 附图
• 参考文献
• 第二章 3D技术对肝癌外科的指导价值研究
• 引言
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 附图
• 参考文献
• 综述 3D技术在肝癌外科手术规划中的应用
• 参考文献
• 中英文缩略词对照表
• 读研期间取得的成绩和工作小结
• 致谢
• 统计学证明