腹部醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)在肝移植外科中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的生命系統(tǒng)及其疾病的了解已經(jīng)從定性的判斷過(guò)渡到精確的量化，不再是僅憑經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)，而是用數(shù)字化和可視化的方法，找出患者復(fù)雜生命系統(tǒng)中質(zhì)的差異、變化及生命現(xiàn)象的變化規(guī)律，這就是醫(yī)學(xué)的數(shù)字化過(guò)程。 肝臟外科和肝移植（liver transplantation）的發(fā)展實(shí)際上是以肝臟實(shí)質(zhì)臟器內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。但傳統(tǒng)的實(shí)質(zhì)臟器解剖學(xué)研究主要針對(duì)固定的尸體標(biāo)本，由于沒(méi)有進(jìn)行灌注，臟器內(nèi)部管道塌陷，

2、肝臟本身的立體和空間構(gòu)象改變，所獲得的管道數(shù)據(jù)與活體肝臟管道結(jié)構(gòu)不符。現(xiàn)代影像學(xué)（螺旋CT、MRI等）的發(fā)展，將肝膽外科推向了一個(gè)新的階段，肝癌外科治療的觀念發(fā)生轉(zhuǎn)變，許多累及第一、二、三肝門和門靜脈、下腔靜脈癌栓的巨塊復(fù)雜性肝癌獲得手術(shù)切除；右半肝，或擴(kuò)大右半肝的活體肝移植獲得成功。雖然如此，但肝臟等實(shí)質(zhì)臟器管道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和變異性仍然是引起手術(shù)大出血和臟器移植術(shù)后管道并發(fā)癥的關(guān)鍵問(wèn)題。醫(yī)學(xué)圖像可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬肝臟及其外科

3、手術(shù)的研究為解決這些難題帶來(lái)了希望。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(lái)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(guò)這些先進(jìn)的技術(shù)手段在術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后對(duì)手術(shù)進(jìn)行輔助支持。使外科手術(shù)越來(lái)越安全、可靠、精確，創(chuàng)傷越來(lái)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。Ra

4、ptopouls V.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(píng)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.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(píng)估肝切除手術(shù)后肝衰的危險(xiǎn)性，從而決定肝臟的切除范圍。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(jiàn)的人體器官能以三維形式“真實(shí)”地

5、顯示出來(lái)，即可視化。它的優(yōu)點(diǎn)是在空間中具有準(zhǔn)確的定位，可以立體地從不同角度觀察各解剖結(jié)構(gòu)、測(cè)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)，并可以利用肝癌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)演練手術(shù)過(guò)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。 一、正常人腹腔血管的數(shù)字化解剖 目的： 1.研究數(shù)字化

6、腹腔動(dòng)脈的特點(diǎn)及其在肝移植外科中的應(yīng)用價(jià)值； 2.研究數(shù)字化門靜脈的特點(diǎn)及其在肝移植外科中的應(yīng)用價(jià)值； 3.研究數(shù)字化肝靜脈的特點(diǎn)及其在肝移植外科中的應(yīng)用價(jià)值。 方法： 1.材料：（1）64排螺旋CT及其圖像后處理工作站；（2）雙筒高壓注射器及造影劑；（3）高配置計(jì)算機(jī)；（4）DICOM查看器；（5）ACDSee圖片轉(zhuǎn)換軟件；（6）MIPS系統(tǒng)（自行研制的醫(yī)學(xué)圖像處理軟件）：（7）FreeForm Mod

7、eling System及其自帶的PHANTOM設(shè)備。 2.研究對(duì)象：200名“健康”體檢者，男性116人，女性84人。腹部64排螺旋CT平掃加增強(qiáng)掃描提示腹腔臟器及管道系統(tǒng)無(wú)異常。 3.數(shù)據(jù)采集：將研究對(duì)象行64排螺旋CT常規(guī)上腹部平掃和增強(qiáng)掃描，并在圖像后處理工作站將掃描數(shù)據(jù)（包括平掃期、動(dòng)脈期、門靜脈期、肝靜脈期）刻盤存儲(chǔ)。 4.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將刻錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入個(gè)人計(jì)算機(jī)中，利用DICOM查看器將原始數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)

8、化為BMP格式，再利用ACDSee圖片轉(zhuǎn)換軟件調(diào)整圖片大小、順序等。 5.程序分割重建：將處理后的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入自主開發(fā)的醫(yī)學(xué)圖像處理軟件（MIPS）進(jìn)行程序分割重建，并保存為STL格式。 6.去噪處理：將重建出的動(dòng)脈、門靜脈、腹腔靜脈模型導(dǎo)入到FreeForm Modeling System軟件中，對(duì)它們進(jìn)行平滑、去噪等處理。 7.觀察和分型：對(duì)重建的腹腔血管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觀察，找出研究對(duì)象腹腔血管的走行、變異等特點(diǎn)，

9、并進(jìn)行分型。肝動(dòng)脈分型依據(jù)Hiatt1994年的分型；門靜脈分型則按照Couinaud方法。 結(jié)果： 1.數(shù)字化腹腔動(dòng)脈. 2.數(shù)字化門靜脈. 3.數(shù)字化肝靜脈. 結(jié)論： 1.數(shù)字化腹腔動(dòng)脈、門靜脈、肝靜脈清晰、逼真、立體感強(qiáng)，其解剖結(jié)構(gòu)、走行等完全仿真人體腹腔內(nèi)部情況； 2.肝動(dòng)脈、門靜脈變異常見(jiàn)； 3.數(shù)字化腹腔動(dòng)脈、門靜脈、肝靜脈在肝移植外科具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

10、 二、肝臟、腫瘤的數(shù)字化及其與血管的關(guān)系 目的 1.研究數(shù)字化肝臟的特點(diǎn)及在肝臟外科的應(yīng)用價(jià)值； 2.數(shù)字化肝臟及其血管后，研究門靜脈、肝靜脈、肝動(dòng)脈在肝內(nèi)的分布； 3.數(shù)字化肝臟、腫瘤、血管數(shù)字化后，研究它們之間的關(guān)系并指導(dǎo)肝癌的診斷，手術(shù)方案的制定等的應(yīng)用價(jià)值； 4.研究數(shù)字化肝臟、腹腔血管、腫瘤在腹部外科、臨床解剖教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值。 方法： 1.材料：同第一部分。

11、2.研究對(duì)象：“健康”體檢者1，2：無(wú)腹腔疾病的志愿者；病例1：診斷為肝左外葉小肝癌的患者；病例2：診斷為左肝巨大肝癌的患者；病例3：診斷為肝門部膽管癌的患者；病例4：診斷為右肝巨大肝癌的患者；病例5：診斷為肝臟Ⅴ、Ⅵ段肝癌的患者；病例6：診斷為Ⅶ、Ⅷ肝癌的患者；病例7：診斷為彌漫性肝癌的患者。 3.數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、程序分割、重建、去噪均同第一部分。 4.肝臟分段方法：將同一數(shù)據(jù)且重建好的門靜脈與肝臟導(dǎo)入到FreeF

12、orm Modeling System中，依據(jù)門靜脈各級(jí)分支在肝內(nèi)的走行，劃分肝臟各段。為區(qū)分肝臟各段，分別涂以不同顏色。 5.肝臟和腫瘤體積計(jì)算：在FreeForm Modeling System中，顯示目標(biāo)臟器，點(diǎn)擊計(jì)算其體積，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算。 結(jié)果： 1.數(shù)字化肝臟 2.門靜脈、肝靜脈、肝動(dòng)脈在肝內(nèi)各段的分布 3.數(shù)字化肝、腫瘤、管道之間的關(guān)系 4.肝臟、腫瘤體積數(shù)字化 結(jié)論：

13、 1.數(shù)字化肝臟后，肝臟臟面、膈面解剖結(jié)構(gòu)清楚，完全符合真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)，肝臟內(nèi)部可劃分為五葉八段； 2.數(shù)字化肝臟及其血管后，門靜脈、肝靜脈在肝內(nèi)的走行、分布清晰，符合解剖結(jié)構(gòu)； 3.數(shù)字化肝臟、腫瘤、血管后，可清楚的了解它們之間的關(guān)系，對(duì)指導(dǎo)肝癌疾病的術(shù)前診斷、術(shù)前評(píng)估等提供了十分有意義的價(jià)值； 4.肝臟及其腫瘤數(shù)字化對(duì)手術(shù)評(píng)估、術(shù)后恢復(fù)提供一定參考價(jià)值； 5.數(shù)字化肝臟、腹腔血管、肝癌在腹部外科

14、、臨床解剖教學(xué)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。 三、肝移植可視化仿真手術(shù)的研究 目的： 1.活體肝移植的可視化仿真手術(shù)研究； 2.背馱式肝移植可視化仿真手術(shù)研究； 3.原位肝移植可視化仿真手術(shù)研究； 4.研究可視化仿真手術(shù)在肝移植術(shù)前演練、溝通醫(yī)患關(guān)系、肝移植外科教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值。 方法： 1.材料：同第一部分。 2.研究對(duì)象：活體肝移植：供體：“健康”體檢者，CT提示肝、膽

15、、胰、脾未發(fā)現(xiàn)異常；受體：CT提示：肝左外葉有一2×2cm的低密度影，未發(fā)現(xiàn)其它病灶。臨床診斷：原發(fā)性肝癌。背馱式肝移植：供體：“健康”體檢者，CT提示肝、膽、胰、脾未發(fā)現(xiàn)異常；背馱式肝移植受體：CT提示：肝左葉可見(jiàn)低密度影，未發(fā)現(xiàn)其它病灶。臨床診斷：原發(fā)性肝癌。原位肝移植：供體：CT提示：肝、膽、胰、脾未見(jiàn)異常：原位肝移植受體：CT提示：肝右葉低密度腫物，病灶區(qū)肝內(nèi)膽管擴(kuò)張。臨床診斷：肝右外側(cè)段膽管細(xì)胞癌。 3.數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)

16、轉(zhuǎn)換、程序分割、重建、去噪均同第一部分。 4.仿真手術(shù)設(shè)計(jì)：活體肝移植主要包括供體肝左葉切取術(shù)、受體病肝切除術(shù)、活體供肝植入術(shù)；背馱式肝移植手術(shù)主要包括供體肝臟切取術(shù)、受體病肝切除術(shù)、供肝植入術(shù)；原位肝移植術(shù)主要包括供體肝臟切取術(shù)、受體病肝切除術(shù)、供肝植入術(shù)。 結(jié)果： 1.活體肝移植 2.背馱式肝移植 3.原位肝移植 結(jié)論： 1.肝移植可視化仿真手術(shù)可指導(dǎo)臨床醫(yī)師術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)方案