肝臟及其內(nèi)部血管64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)三維重建及虛擬手術(shù)研究.pdf

1、背景: 近20年來，原發(fā)性肝癌(HCC)患者的整體預(yù)后得到明顯改善，但相對全球每年50萬新發(fā)病例和近100萬死亡病例而言，目前療效遠(yuǎn)不能滿足人們的期望。外科手術(shù)切除(patrial hepatectomy)及肝臟移植(liver transplantation)屬于根治性治療，仍是肝癌治療的首要選擇。肝腫瘤外科手術(shù)切除的可行性必須從解剖學(xué)上評估，看腫瘤的大小與數(shù)目及部位于肝臟何處、與肝臟內(nèi)血管位置的關(guān)系、有無轉(zhuǎn)移、手術(shù)后殘肝的功

2、能等。隨著術(shù)前對患者更適當(dāng)?shù)脑u估、對肝解剖學(xué)和肝臟功能認(rèn)識的增加、肝臟切除技術(shù)及術(shù)后護(hù)理的改善，肝臟切除的并發(fā)癥及死亡率已大大下降，現(xiàn)在，國內(nèi)、外肝臟切除死亡率的標(biāo)準(zhǔn)為<3％。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、醫(yī)學(xué)物理學(xué)科與醫(yī)學(xué)的交叉融合和迅速發(fā)展，外科診斷與治療的手段正在發(fā)生著很大的變化。近年來出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)，虛擬外科手術(shù)系統(tǒng)等就是在信息科學(xué)迅速發(fā)展并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生的成果。外科醫(yī)生通過這些先進(jìn)的技術(shù)手段在術(shù)前、術(shù)中、術(shù)

3、后對手術(shù)進(jìn)行輔助支持。使外科手術(shù)越來越安全、可靠、精確，創(chuàng)傷越來越小。利用計(jì)算機(jī)輔助肝臟及肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)的三維重建并進(jìn)行虛擬手術(shù)的研究十分活躍。Raptopouls V等行螺旋CT血管造影三維重建，能同時(shí)完成顯示門靜脈、肝靜脈全貌及其復(fù)雜的空間解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系，可直觀評價(jià)門靜脈、肝靜脈的位置、管徑、阻塞程度及其側(cè)支循環(huán)情況。Wigmore SJ等則利用螺旋CT肝臟掃描圖片進(jìn)行三維重建、虛擬肝臟切除、評估肝切除手術(shù)后肝衰的危險(xiǎn)性，從而決定肝臟的

4、切除范圍。肝臟3D及其虛擬手術(shù)是利用CT，MRI等圖像序列進(jìn)行處理，構(gòu)造出能顯示肝臟各結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，將看不見的人體器官能以三維形式“真實(shí)”地顯示出來，即可視化。它的優(yōu)點(diǎn)是在空間中具有準(zhǔn)確的定位，可以立體地從各個(gè)角度觀察和測量各解剖結(jié)構(gòu)、測量各種數(shù)據(jù)，促進(jìn)肝臟臨床解剖學(xué)的發(fā)展，同時(shí)虛擬肝臟的各種手術(shù)，并可以利用肝臟腫瘤患者的肝臟及其腫瘤的影像(CT、MRI等)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合和更新，從而使外科醫(yī)師在計(jì)算機(jī)上反復(fù)進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，反復(fù)

5、演練手術(shù)過程并優(yōu)化手術(shù)方案，提高手術(shù)技能，提高手術(shù)的安全性，降低手術(shù)并發(fā)癥。 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及CT(計(jì)算機(jī)斷層)，MRI(磁共振)等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)就越來越多地應(yīng)用到現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是多排螺旋CT的發(fā)展，具有強(qiáng)大的后處理功能，使用各種影像重組方法、多角度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行診斷，為臨床提供了更為詳細(xì)、清晰的影像信息。但是多排螺旋CT重建的圖像其實(shí)仍是平面重建，仍是二維的，是不可操作的

6、，是無法進(jìn)行切割等外科手術(shù)操作，也就無法滿足臨床的全部要求。所以要重建真正的可滿足臨床需要的、可任意旋轉(zhuǎn)和進(jìn)行手術(shù)的切割和分離的三維立體空間圖像，并且具有力反饋的感覺，這樣的立體重建圖像對外科手術(shù)有深遠(yuǎn)的實(shí)際意義，這正是本課題所要研究的主要內(nèi)容。 目的: 研究肝臟及其內(nèi)部血管進(jìn)行64排螺旋CT掃描圖像的特點(diǎn)；研究基于64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)的肝臟及其內(nèi)部血管的手工分割和程序分割的方法；利用MIMICS軟件和自行開發(fā)設(shè)計(jì)三維

7、重建程序進(jìn)行肝臟及其內(nèi)部血管結(jié)構(gòu)三維重建；并在此基礎(chǔ)上研究虛擬肝臟切割手術(shù)仿真系統(tǒng)的方法。 方法: 1.基于64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)的肝臟及腹腔血管三維重建的研究 2.基于螺旋64排CT掃描數(shù)據(jù)的肝臟圖像的手工分割和三維重建 3.基于64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)的肝臟圖像的程序分割和三維重建研究 4.基于64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)肝臟3D虛擬手術(shù)仿真的研究虛擬肝臟切割手術(shù)(Virtual Hepatectom

8、y)將本課題第二部分三維重建好的肝臟及其血管模型(STL文件格式)導(dǎo)入FreeForm Modeling System-自由設(shè)計(jì)模型系統(tǒng)二次開發(fā)的虛擬切割的軟件，利用系統(tǒng)的力反饋設(shè)備PHANTOM，操縱模擬手術(shù)刀對肝臟模型可以進(jìn)行隨意的切割，建立虛擬肝臟切割手術(shù)環(huán)境系統(tǒng)，并對肝臟左外葉腫瘤切除手術(shù)的不同方式和右半肝臟切除術(shù)進(jìn)行了肝臟切割手術(shù)仿真的研究。 結(jié)果: 1.基于64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)的肝臟及腹腔血管三維重建的研究

9、 2.基于64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)的肝臟圖像的手工分割和三維重建 3.基于64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)的肝臟圖像的程序分割和三維重建研究 4.基于64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)肝臟3D虛擬手術(shù)仿真的研究 結(jié)論: 1．采用先進(jìn)的64排螺旋CT肝臟掃描圖像，采用MIMICS(V10.0)三維重建軟件，利用閾值法和人工結(jié)合的方法來分割圖像，三維重建肝臟及其內(nèi)部血管、腹腔血管，重建的肝臟、肝內(nèi)血管形態(tài)逼真，立體感強(qiáng)，尤其

10、是腹腔動(dòng)脈系統(tǒng)管道形象生動(dòng)，動(dòng)脈的各級分支的走向、管徑的大小以及血管之間關(guān)系清晰，有助于臨床手術(shù)時(shí)的操作，有助于肝臟及腹腔血管的臨床教學(xué)和肝臟血管的研究。 2．采用特殊的造影方法，使得64排螺旋CT肝臟內(nèi)部管道圖像更加清晰，與肝實(shí)質(zhì)的對比明顯。在此基礎(chǔ)上，采用圖像處理軟件，利用手工分割的方法，采用MIMICS(V10.0)三維重建軟件，三維重建肝臟及肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)，得到肝臟模型表面光滑，肝內(nèi)管道清晰，色彩鮮艷，立體感極強(qiáng)，為肝臟的

11、虛擬手術(shù)打下基礎(chǔ)，該模型交互性好，具有極強(qiáng)的可操作性和表現(xiàn)性。 3．在第二部分研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)分割程序和三維重建軟件，利用自行設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行圖像的分隔和三維重建，效果理想，與MIMICS軟件相比，其重建的肝臟及其內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)表面雖然粗糙，但立體效果好，無論是構(gòu)象性還是肝臟的結(jié)構(gòu)比例還是管道的立體走向均能完美再現(xiàn)。該項(xiàng)工作的進(jìn)一步研發(fā)，有望開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的針對肝臟圖像的分割和三維重建軟件。 4．采用先進(jìn)的