肝和肝血管三維重建的臨床應用

晁 凡 沈若武▲ 張景利 趙 成 管文敏 周宇石 劉方圓 谷 方

1.青島大學醫學院人體解剖學教研室，山東青島 266071；2.青島大學醫學院附屬醫院放射科，山東青島 266003

肝和肝血管三維重建的臨床應用

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.青島大學醫學院人體解剖學教研室，山東青島 266071；2.青島大學醫學院附屬醫院放射科，山東青島 266003

目的 對肝臟和肝血管進行三維重建可視化并進行肝分段，探討其意義及臨床應用。 方法 利用Mimics軟件對24例晚期彌漫性肝癌患者CT掃描數據進行圖像分割并進行三維重建，根據每個患者肝血管的分支和Couinaud分段法對肝臟進行個體化分段，計算肝和各肝段的平均體積。 結果 重建后獲得形態逼真的肝臟和肝血管的三維模型，測得患者全肝平均體積達（2683.26±671.53）cm3。對肝臟進行了分段，通過三維模型能準確計算出各肝段的平均體積。結論 三維重建、肝臟分段和體積測量為患者的診斷、后續治療和手術風險評估提供了參考，來源于活人體的三維圖形也可以用于科研和教學。

肝；肝血管；三維重建；肝切除術

近年來，隨著信息技術的發展，計算機軟件技術被應用于醫學研究的各個領域，對醫學領域產生了重大的影響，并隨之誕生了一系列醫學相關的計算機軟件[1-2]，基于連續CT掃描數據集的三維重建也有了很大的發展。曾經有學者對正常肝臟的三維重建進行研究[3-5]，但對于肝癌患者的個體化三維重建的研究卻很少。本研究利用Mimics軟件，對24例晚期彌漫性肝癌（diffuse hepatocellular carcinoma，DHCC）患者64排螺旋CT掃描數據進行圖像分割與三維重建，并對肝的三維模型進行了Couinaud分段，計算出各肝段的體積，顯示三維模型有重要的臨床參考價值。

1 材料與方法

1.1 一般材料

收集2009年3月～2011年8月由青島大學醫學院附屬醫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掃描數據集，男性16例，女性8例，年齡45～67歲。圖像數據分為肝動脈期、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：長512像素，寬512像素，像素大小0.699 mm。

1.2 研究平臺

硬件平臺：個人計算機（PC），處理器 Intel（R） Core i3，安裝內存2G，顯卡ATI Mobility Radeon HD 4500 Series。

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

1.3 圖像分割與三維重建

將動脈期數據導入Mimics，動脈閾值確定為94～2900Hu。將動脈的三維模型輸出為標準模板庫（standard template library，STL）格式。將平衡期數據導入Mimics，運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定為94～2900 Hu，門靜脈的圖像閾值設定為107～2900 Hu）。設置肝臟三維模型的透明度為低，即可同時觀察肝臟、動脈、門靜脈和肝靜脈的三維模型（圖 1）。

1.4 肝分段和體積測量

獲得全肝和肝血管三維模型后，參考Couinaud分段法[6]同時根據每個患者個體的Glisson系統走行，對肝臟三維模型進行分段。仔細觀察血管走行與肝臟的關系，根據Couinaud分段法對肝臟的三維模型進行分割，將肝臟分為8段，并以不同顏色顯示。重建出三維模型后，軟件將自動計算各肝段三維模型的體積，在三維模型信息中即可查看。采用構成比計算各肝段體積占全肝體積的百分比。

2 結果

2.1 64排螺旋CT肝臟掃描數據

共收集了動脈期、門靜脈期、平衡期3組數據，各期數據掃描起始點相同，掃描條件相同。動脈期圖像中動脈輪廓明顯，與周圍組織對比清楚，易于進行圖像分割；穩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

運用前文中所述方法分別對肝動脈、肝門靜脈、肝靜脈和肝臟進行圖像分割，即可獲得各結構的蒙版。對各蒙版進行三維重建后即獲得三維模型，三維模型結構清晰，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）。可以對肝臟三維模型進行透明化處理，以同時顯示肝臟和血管，可準確觀察血管在肝臟內的走行。重建出三維模型后，軟件會自動計算三維模型體積。

2.3 肝分段和體積的測量

根據Couinaud分段法，同時注意觀察患者的門靜脈走行是否有變異，對肝臟的三維模型進行切割，把肝臟分為8段，分別以不同顏色顯示。對各肝段進行透明化顯示，可直觀地觀察各肝段內血管的走行，并根據需要對各個部位添加標注（圖1）。可以對三維模型進行旋轉、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計算的三維模型體積，記錄結果（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 肝段體積的測量（±s）

表1 肝段體積的測量（±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，醫學生和研究人員通常采用尸體標本學習和研究肝臟病理學，在解剖尸體標本的過程中難免對標本造成損傷，標本的臟器、組織結構容易被破壞或移位，而通過紙質解剖圖譜僅能觀察到解剖部位的某一個側面或切面，并不能直觀地觀察和學習整體的三維解剖結構。而且，雖然目前已有許多對正常人各局部、臟器進行三維重建的研究[3-5]，卻少有對病變臟器進行個性化三維重建的研究。另外，醫院的大型螺旋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，更不能對三維模型進行透明化處理，而且三維重建操作只能在CT工作站上進行，具有一定的局限性。本研究在個人計算機上利用64排螺旋CT掃描數據進行三維重建，重建出的三維模型可以反映出患者活體臟器的立體結構位置和形狀，并可以以任意顏色組合顯示，可以對部分模型進行透明化處理，三維模型在個人計算機上即可查看。患者的個性化三維模型可為臨床醫師提供參考，為肝手術方案的制訂提供相關信息[7]。由于惡性腫瘤的生長，晚期肝癌患者肝臟的形態、血管走行往往發生很大變化，與正常人有較大差異。因此，術前診斷和準備非常重要，如果沒有提前準備，手術過程中不加留意，很容易損傷到血管造成大出血，甚至威脅患者的生命。對肝癌患者的CT掃描數據進行三維重建，有助于醫師在術前了解患者個體的內部結構、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患者肝臟進行虛擬手術，對手術的進行有重要指導意義[8-9]。

3.2 肝、肝血管的三維重建可視化基礎上進行肝分段和體積測量

1954 年，Couinaud根據Glisson系統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變異[10]，因此經典的Couinaud分段法具有一定的局限性，數字建模需要根據患者個體的Glisson系統走行進行，不能盲目程式化。本研究參考Couinaud分段法，根據各個患者Glisson系統走行，對其肝臟進行分段后，將各個肝段著色，可將肝臟中血管、肝段之間的關系更加直觀地呈現給主治醫師，幫助其了解不同患者的不同肝臟結構，切除肝段時，能避免傷及大血管結構；另外，行肝臟腫瘤的切除術時，要對腫瘤所在的肝段整個切除，因為同一個肝段由同一套大血管供血，否則殘余組織會缺血壞死。三維肝段還可以將患者的個性化信息的定量描述提供給醫師，幫助醫師為該患者確定手術方案，提高手術成功率。同時可以行模擬手術，對手術方案進行風險預評估[11-12]。

進行肝分段操作后，可以測算各肝段體積和占全肝的比例。術前可根據測算出的各肝段體積及其占全肝體積比例，計算術后殘留肝臟體積，對手術進行風險預估。根據肝臟的個體化分段，定位腫瘤所在的肝段，荷瘤肝段應被完全切除，可以測算切除的荷瘤肝段體積和剩余肝臟體積。實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-實際切除的肝臟體積百分比。若經體積測算后，實際切除的功能肝臟體積≤50%，則實際手術即可按照此范圍進行[13]。利用Mimics軟件進行肝分段并測算各肝段體積的方法，相比傳統的通過CT和人工測算的方法，軟件可以在重建出三維模型后自動測算出各肝段體積，操作簡單易行，結果可靠，能為手術前預估切除肝段體積、評價手術安全性提供參考[14-15]。

另外，由于目前對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，而且傳統病理標本往往不能反映病變器官在活體內的形態，本研究中進行的DHCC三維數字化建模可以準確地反映出患者活體內的肝臟的形態與血管走行，為病理學、肝膽外科醫師和研究人員提供生動形象的模型參考。通過Mimics軟件進行肝臟分段可以極大地提高肝臟分段的正確性，更好地分析不同個體間肝臟結構的異同。同時，擺脫了傳統的通過平面來描述立體肝段的方法，更加形象地將肝段結構呈現在研究人員面前，有助于提高對肝臟結構的了解，對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

國家自然科學基金資助項目（81171408）；青島大學本科生創新實驗

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

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

2013-05-31 本文編輯：林利利）