三維可視化及3D打印在精準肝切除手術中的應用

商搏世 石光林 徐洪來 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能更精準進行，測量出需要切除與保留的肝臟體積，更好地制定出手術的具體方案，將一名女性肝右葉肝細胞性肝癌患者的肝臟CT圖像導入Synapse 3D軟件中進行圖像處理，實現對肝臟模型的三維重構;然后根據血管和腫瘤所在位置分析出需要切除的范圍，區分出肝臟三維模型的切除部分和保留部分并進行體積測量;根據肝臟的三維模型運用3D打印技術分別打印出肝臟的2個部分.結果表明：肝臟切除手術順利進行，切除實質部分與3D打印模型相似，經過測量，手術切除肝臟部分的體積符合預估.

關鍵詞：肝臟;醫學影像三維重構;3D打印;精準肝切除;體積測量

中圖分類號：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病率很高，而且治療起來十分困難，給人民的生命健康帶來了極大的威脅，而治療癌癥最主要的方法是進行外科手術.

在過去的肝癌治療中，手術往往取決于醫生自己的經驗.一般是對患者進行CT或MRI檢查來觀察肝臟的具體情況，制定手術方案.然而肝臟的組織十分復雜，因此，這種傳統的手術方法精度并不高，效率也有所欠缺[1].

隨著計算機技術的不斷成熟，醫學影像三維重構結合3D打印技術在醫學方面的應用日益增多[2-3]，且應用于肝臟方面的研究也日益得到重視.對于肝癌的治療，醫學影像三維重構使得肝臟的血管、病灶等得以直觀清晰的顯示，這讓醫生們更容易實現精確肝切除的理想目標，這是一種運用合理的科學理論和技術，提高治療方案精度和效率的全新手術理念.精準肝切除是在保證手術治療效果的前提下追求對患者肝臟的損傷最小[4].

目前，肝臟的醫學影像三維重構大多采用mimic軟件[5-6]，其在腫瘤的供血血管重建等技術方面還有一定的欠缺.本文提出運用Synapse 3D在術前對肝臟進行測量和分割，利用其專利的圖像識別引擎技術進行血管自動分割和算法分析，并對肝臟模型進行3D打印，幫助醫生方便、快捷地對病灶進行定量分析和制定治療計劃，有效提高診斷準確性和治療成功率[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胞性肝癌的女性患者.患者的資料：腹部三期增強CT圖像，層厚1 mm，100 kV，244 mA（500 ms），選擇三期（動脈期，門靜脈期和平衡期）圖像，進入肝臟分析應用.CT圖像如圖1所示.

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

1.2? ?肝臟體積的測算

在肝切除術中，術后剩余的功能性肝實質不足以維持人體正常的代謝功能而導致的器質性衰竭是患者手術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重點.為了進行手術規劃，使用流域分析功能，根據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算出來[12]，如圖2所示.

最后測量出患者肝臟實質的總體積為? ? ? ? ? ? ? 1 001 mL，腫瘤的大小為402 mL，位于肝右葉，病灶相對較大.預計切除部分的肝臟實質體積為? ?495 mL，加上腫瘤總共切除體積為897 mL，剩余肝臟實質體積為506 mL，剩余肝臟實質體積滿足手術的要求，可以進行手術.

1.3? ?肝臟模型的3D打印

在進行肝臟模型的3D打印前需對模型進行處理.將三維重建好的患者肝臟三維模型導入Materialise Magics 22.0中，如圖3所示，其中：肝動脈（artery）不影響手術方案，將其隱藏;剩余肝臟實質（liver）、下腔靜脈（IVC）、膽囊（gallbladder）為手術需要保留的部分;而腫瘤（high tumor）、切除肝臟實質（P5、P6、P7、P8d）為手術需要切除的部分;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作為一個整體，分別與potal、vein、low tumor進行布爾交集運算，得到potal、vein、low tumor的保留部分;將high tumor、P5、P6、P7、P8d作為一個整體，分別與potal、vein、low tumor進行布爾交集運算，得到potal、vein、low tumor的切除部分.把整個模型的各個部分之間分別進行布爾差集運算，消除它們之間所存在的干涉，為接下來的3D打印做好準備.把手術要保留的部分和要切除的部分分別保存為2個stl文件.

將保存的2個文件分別導入切片軟件中，把2個模型置于打印平面當中，并通過調整位置使2個部分相離.旋轉模型，調至適合，使支撐所用材料較少.為了節省材料、縮小打印時間，將模型按? ? ? 1∶0.5進行縮放.調整模型的顏色，為了讓肝臟內部的情況能夠更好顯現，把剩余的肝臟實質設置為完全透明的顏色，而血管之間為了能夠互相區別，設置為不同的顏色加以區分，其中IVC設置為藍色，potal設置為粉紅，vein設置為淡藍.切除的肝臟實質部分P5、P6、P7、P8d顏色接近全透明，加以不同的淺顏色區分.腫瘤使用黃色、膽使用綠色.如圖4所示.

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

2? ? 手術結果

2.1? ?進行手術

外科醫生根據三維模型的圖像信息即可確定出需要切除的部分，制定出精準肝切除的手術方案，在3D打印模型的直觀顯現下，外科醫生在手術時得到了更好的引導，手術最終順利進行，病人在術后恢復順利.3D模型協助手術如圖6所示.

2.2? ?實物與模型對比

將手術切除出來的病灶部分實物與打印出來的模型進行對比，如圖7所示，可以看出離體肝臟標本與模型基本一致，這表明3D打印的模型符合實際情況，能正確引導手術的順利進行.

2.3? ?離體肝臟標本體積測量

由于進行手術后肝臟出血，因此，預估實物體積會比仿真體積有所減小[13].運用水測法[14]對實物進行體積測量：由于肝臟的密度與水的密度比較相近，因此，水測法通過測量肝臟的排水體積可以測算出肝臟的自身體積.通過手術切除的肝臟標本需快速用保鮮膜包裹創面，并盡快對離體肝臟標本進行測量.具體測量方法：將離體肝臟標本放入裝有水的量筒內，使水漫過標本，測出前后的水位差.

測量結果如圖8所示，量筒原有水的體積為400 mL，加入肝臟標本后的體積為1 010 mL，可以計算出肝臟標本的體積為610 mL，由于出血，和仿真結果的體積897 mL相比有所縮小，符合前期預估.

3? ? 結論

本文通過Synapse 3D軟件對患者的肝臟CT圖像進行三維重構，并對肝臟實質的切除部分和保留部分進行了體積測量;然后將三維重構的模型進行3D打印，幫助醫生制定肝切除的手術方案，引導醫生在手術中的操作;最后，用水測法測量離體肝臟標本的體積，發現與仿真測量的體積相比有微量縮小，符合邏輯，說明仿真測量體積的準確性.醫學影像三維重構對術前的方案定制、術中進行操作以及術后進行評估都有幫助，而進行肝臟的3D打印能實時引導腫瘤病灶的切除，提高手術的準確性，因此，三維重構結合3D打印能夠優勢互補，有利于進行精準肝切除手術.

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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

（責任編輯：黎? ? 婭）