基于區域增長和統一化水平集CT分割重建在肝動脈變異中的應用

陳良 張學昌 朱杰 鄭四鳴 劉艷芳

肝動脈的解剖變異是肝膽外科醫生和介入放射科醫生臨床工作中經常遇到的難點，在術前如何有效評估肝動脈變異是制定手術方案的關鍵。肝動脈解剖變異的發生率在12%～49%[1-3]，變異血管可來源于腸系膜上動脈、胃左動脈、腹主動脈或其它內臟動脈分支，可部分或完全替代正常肝動脈的供血作用。本研究通過256排螺旋CT檢查后采用區域增長和統一化水平集的半自動肝臟及其管道分割重建方法制作肝臟和肝門部血管的三維圖像模型，以此計算肝臟、腫瘤和切緣的關系，初步判斷肝動脈的變異情況以便預測患者的手術方式及風險，取得良好效果，現報道如下。

1 對象和方法

1.1 對象 選取2015年9月至2018年6月寧波市醫療中心李惠利醫院及李惠利東部醫院收治的診斷為“肝臟腫瘤”擬行肝切除術的患者300例（李惠利醫院167例和東部醫院133例）。其中男173例（57.7%），女127例（42.3%），年齡 37～76（56.3±15.7）歲；肝功能 Child 分級A級205例，B級95例。納入標準：（1）術前臨床診斷為肝細胞肝癌患者；（2）有肝切除手術指征；（3）初診患者；（4）術前均接受螺旋CT增強檢查。排除標準：（1）出現肝外轉移，有子灶，肝內多發肝癌；（2）有介入、射頻消融及手術史者；（3）術后病理學檢查證實非肝細胞肝癌；（4）術后出現嚴重的麻醉及心腦血管并發癥。

1.2 圖像掃描方法 采用GE revolution CT增強掃描，設置掃描參數120kV、240mA，碘海醇靜脈推注2.8ml/s，采用自動觸發動脈期掃描，設置延遲22s后掃描門脈期，延遲35s后獲得靜脈期，以0.625mm層厚重建。每例原始數據經CT機傳送至后處理工作站。

1.3 圖像重建方法 經過混合圖像預處理（圖像降噪、特定比例梯度濾波、非線性灰度轉換和自定義二值轉換）將CT圖像轉化為二值圖像，提供良好的種子增長環境，克服傳統區域增長中增長閾值設定與種子點位置選擇的困難，避免過分分割。區域增長只需設置少量種子點即能大致提取完整肝臟和管道區域。通過統一化水平集優化分割結果。采用距離正則化水平集（Distance Regularized Level Set Evolution，DRLSE[4]），方法如下。

給定一個水平集方程φ：圖像域Ω→R，定義一個能量函數 ε（φ）：

其中μ＞0，Dp（φ）是正則懲罰項，避免了水平集的重新初始化，提高算法效率。

其中Gσ為方差為σ的高斯核函數。在灰度變化較大的區域，g取值較小；在灰度變化較小的區域，g較大，且最大值為1。

其中g為邊緣指示函數，Ω為圖像域，λ和a是常數系數，δ為Dirac函數，H是Heaviside函數。式中Lg（φ）是曲線的加權長度，Ag（φ）是氣球力，控制曲線的演化。構建一個新的基于區域信息的氣球力項（Signed Pressure Force，SPF），能夠有效地使活動輪廓停止在圖像的模糊邊緣和弱邊緣處。本文中將該SPF結合到基于邊緣的DRLSE中。

SPF（I（x））定義如下：

其中c1和c2分別為曲線內外的平均灰度常值，可以通過求解C-V模型得到。

通過求解最小化方程，解得

其中H為Heaviside函數。

本文將SPF（I（x））結合到式（11）中的氣球力中，得到新的外部能量泛函方程：

因此，本文的水平集能量泛函可以寫為

令I0表示為區域增長得到的肝臟和管道初始輪廓二值圖像。由于DRLSE框架中雙勢阱函數的存在，允許直接使用二值階躍函數初始化水平集G0，簡化了使用符號距離函數（Signed Distance Function，SDF）初始化的步驟。本文采用初始化方程如下：

其中ω為變量參數，控制SDF的寬度。由于圖像域為離散網格化，符號距離函數在零水平集兩側至少有一個網格點，所以實際中符號距離函數寬度至少為2，所以建議取ω≥2，本文設置ω=4。初始化之后的水平集函數進行演化，得到最終的結果如圖1所示。在本文中，水平集的相關參數如下設置：式（7）中的 λ1=λ2=1，式（11）中的 λ=5，a=5，式（12）中的 μ=0.04。

圖1 水平集的優化分割（a：區域增長；b：水平集初始化；c：水平集優化分割）

另外，為了提高分割的準確性，對于弱邊緣或者無邊緣的肝臟和管道區域，本文采用交互操作強制終止水平集演化。

由于肝臟內部和管道噪聲的相關影響，水平集演化后得到的肝臟和管道分割結果內部可能會存在孔洞，導致體素偏小。本文采用形態學孔洞填充解決這種問題。完成圖像分割后由2位醫生共同評估，記錄胃左動脈、胃十二指腸動脈、肝總動脈、肝固有動脈、肝左動脈、肝右動脈和脾動脈的顯示情況。

1.4 肝動脈解剖和變異的分型方法 根據Michels分型系統對肝動脈的解剖進行分型。Michels分類為最常見的肝動脈分類方法，將肝動脈分為正常型和變異型，正常型為經典類型（Ⅰ型），即肝總動脈起源于腹腔干分出的胃十二指腸動脈及肝固有動脈，肝固有動脈再分支為肝左、右動脈。解剖變異根據Michel分型[5]標準分為Ⅱ-Ⅹ型和其他類型（表1），分別予以記錄，同時記錄動脈變異出現的例數（百分數）。

表1 Michels肝動脈變異分型

1.5 手術方式 進入腹腔后（包括開腹與腹腔鏡手術）術中常規超聲探查肝臟，進一步評估肝臟占位的數量及其與肝臟重要血管的解剖關系。然后暴露第一肝門，在肝門部Gliison鞘內分離出肝總動脈，明確其解剖關系與變異情況。接著解剖出Gliison鞘內的門靜脈及膽管，根據腫瘤的位置施行相應的肝臟切除術。

1.6 觀察指標 根據術前三維重建的肝動脈圖像及其變異，進行歸納并分類。在術中將肝動脈的解剖變異情況與術前的三維重建進行對比，并進行記錄分析。

2 結果

通過圖像預處理將CT圖轉化成二值圖像，為種子提供良好的增長環境：增長閾值和種子點位置設定簡單，避免了過分分割，能夠較完整地提取肝臟和管道區域。統一化水平集能夠帶來更準確的分割結果。

300例患者均完成基于統一化水平集的肝實質和肝動脈三維重建，肝動脈正常解剖的Ⅰ型為230例（76.7%），解剖變異為70例（23.3%），另外有6例為其他類型（2.0%）。其中Ⅰ型最常見，與Covey等[6]及Duran等[7]報道的統計數據基本一致。術前肝動脈三維重建結果與術中實際情況相比，準確率為100%。見表2、圖2（見插頁）。

圖2 肝臟的3D動脈模型（a：Ⅰ型，肝總動脈起源于腹腔干分出的胃十二指腸動脈及肝固有動脈，肝固有動脈再分支為肝左、右動脈；b：Ⅱ型，肝左動脈起源于胃左動脈；c：Ⅲ型，肝右動脈起源于腸系膜上動脈；d:Ⅳ型，肝左動脈與肝右動脈變異同時存在；e:Ⅴ型，肝左動脈起源于肝固有動脈，副肝左動脈起源于胃左動脈；f：Ⅵ型，肝右動脈起源于肝固有動脈，副肝右動脈起源于腸系膜上動脈）

表2 本研究和Covey等、Duran等報道的肝動脈變異分型的研究對比[例（%）]

3 討論

肝動脈的解剖變異在臨床中較為常見，Michels[5]通過對200例尸體解剖研究后發現了45%的肝動脈變異率，Saba等[8]通過對1 629例研究發現了38.7%的變異率。本研究發現了23.3%的肝動脈變異率，低于上述2篇文獻報道，可能與各研究的病例來源情況以及病例數的多少等不同因素有關。隨著腔鏡微創技術以及介入技術的不斷發展，手術醫生的操作視野受到了很大限制，因此術前充分了解肝動脈的分型及結構對于減少術中風險、降低術者的操作難度和術后并發癥的發生率起到了重要的作用。

三維重建，簡化了人大腦對二維圖像的思維重構過程，能更直觀、準確的顯示肝臟及其管道系統和病灶的全方位立體信息。根據目前的2D影像，外科醫生不一定能較準確地判斷出肝動脈的變異及走行，尤其當腫瘤體積較大或腫瘤位置較特殊時，2D影像中肝動脈與腫瘤相互重疊、遮蓋，甚至因對比劑造成的偽影而導致外科醫生不能很好的分辨肝動脈是否存在變異情況，給術前的規劃帶來了一定的困難，術中需時時提防是否存在肝動脈的變異[9]。

本研究通過256排CT增強掃描，利用一種基于區域增長和統一化水平集的半自動肝臟及其管道分割方法。針對傳統區域增長中，增長閾值和種子點位置選擇的共同困難，通過圖像預處理將CT圖轉化成二值圖像，為種子提供良好的增長環境：增長閾值和種子點位置設定簡單，避免了過分分割，能夠較完整地提取肝臟和管道區域。針對傳統基于邊緣信息的水平集設定合適的氣球力與迭代次數困難，對于噪聲敏感等問題，結合圖像區域信息，提出了統一化水平集，由邊緣信息與區域信息共同驅動，被證明能夠適應大氣球力與多迭代次數的同時，能夠帶來更準確的分割結果。

本研究發現了23.3%的肝動脈變異率，以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型變異居多，其研究結論與Hiatt[10]的研究基本符合。變異肝動脈起源復雜，但主要起源于除肝總動脈以外的腹腔干的其它直接或間接分支、腸系膜上動脈或直接起源于腹腔干。

筆者將術中所見的肝動脈分型作為金標準，通過基于區域增長和統一化水平集的半自動肝臟分割方法進行分割重建的肝動脈分型的準確性達到了100%，取得了滿意的診斷效果。本課題組的3D肝動脈重建給術前規劃帶來極大的便利，提供外科醫生在更高的維度上觀察肝動脈的走形及變異，為手術規劃、手術入路提供了清晰的認識和立體的空間感，本組300例患者均順利完成了手術，取得了良好的療效。

影像學技術對肝動脈的評估方法包括數字減影血管造影、超聲、CT和磁共振血管成像等[10-11]。磁共振血管成像技術具有無創性、無輻射等優勢，但其存在掃描時間長、易受呼吸影響產生偽影、患者較難配合、空間分辨率較低、顯示較細小的動脈有很大限度、后處理方式較少等缺點[12-13]。彩色多普勒具有操作簡單、安全無輻射、可反映血流參數等優點，但其存在無法提供立體解剖圖像、易受腹部氣體等因素干擾、而且受操作者技能影響較大等缺點[14]。本研究采用256排螺旋CT掃描，具有掃描速度快、空間分辨率高、一次掃描就能顯示全部肝臟及周圍動脈等優勢[15]，還具有安全、方便、經濟和可重復操作等諸多優勢，結合基于區域增長和統一化水平集的半自動肝臟及其管道CT分割重建技術，適宜推廣為腹部手術和肝動脈化療栓塞治療的常規術前檢查。

目前外科正在向精準外科轉變，數字醫學成為新興潮流。基于區域增長和統一化水平集的半自動肝臟及其管道CT分割重建方法提供肝動脈變異的識別可以為外科醫生提供有效的術前影像學資料，為術前的手術規劃及術中肝動脈變異的判斷帶來新的研究方向。因此，術前行肝臟及其管道三維重建有望成為復雜肝臟手術術前常規的檢查手段。