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

1、背景: 近20年來，原發(fā)性肝癌(HCC)患者的整體預后得到明顯改善，但相對全球每年50萬新發(fā)病例和近100萬死亡病例而言，目前療效遠不能滿足人們的期望。外科手術切除(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。肝腫瘤外科手術切除的可行性必須從解剖學上評估，看腫瘤的大小與數(shù)目及部位于肝臟何處、與肝臟內血管位置的關系、有無轉移、手術后殘肝的功

2、能等。隨著術前對患者更適當?shù)脑u估、對肝解剖學和肝臟功能認識的增加、肝臟切除技術及術后護理的改善，肝臟切除的并發(fā)癥及死亡率已大大下降，現(xiàn)在，國內、外肝臟切除死亡率的標準為<3％。目前，隨著計算機技術、圖像處理技術、醫(yī)學物理學科與醫(yī)學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)的計算機輔助手術系統(tǒng)，虛擬外科手術系統(tǒng)等就是在信息科學迅速發(fā)展并應用于醫(yī)學領域產生的成果。外科醫(yī)生通過這些先進的技術手段在術前、術中、術

3、后對手術進行輔助支持。使外科手術越來越安全、可靠、精確，創(chuàng)傷越來越小。利用計算機輔助肝臟及肝內管道結構的三維重建并進行虛擬手術的研究十分活躍。Raptopouls V等行螺旋CT血管造影三維重建，能同時完成顯示門靜脈、肝靜脈全貌及其復雜的空間解剖結構關系，可直觀評價門靜脈、肝靜脈的位置、管徑、阻塞程度及其側支循環(huán)情況。Wigmore SJ等則利用螺旋CT肝臟掃描圖片進行三維重建、虛擬肝臟切除、評估肝切除手術后肝衰的危險性，從而決定肝臟的

4、切除范圍。肝臟3D及其虛擬手術是利用CT，MRI等圖像序列進行處理，構造出能顯示肝臟各結構的三維幾何模型，將看不見的人體器官能以三維形式“真實”地顯示出來，即可視化。它的優(yōu)點是在空間中具有準確的定位，可以立體地從各個角度觀察和測量各解剖結構、測量各種數(shù)據(jù)，促進肝臟臨床解剖學的發(fā)展，同時虛擬肝臟的各種手術，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)進行圖像融合和更新，從而使外科醫(yī)師在計算機上反復進行手術規(guī)劃，反復

5、演練手術過程并優(yōu)化手術方案，提高手術技能，提高手術的安全性，降低手術并發(fā)癥。 近年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，尤其是計算機技術，以及CT(計算機斷層)，MRI(磁共振)等醫(yī)學影像技術的不斷發(fā)展，計算機技術就越來越多地應用到現(xiàn)代醫(yī)療領域，尤其是多排螺旋CT的發(fā)展，具有強大的后處理功能，使用各種影像重組方法、多角度旋轉進行診斷，為臨床提供了更為詳細、清晰的影像信息。但是多排螺旋CT重建的圖像其實仍是平面重建，仍是二維的，是不可操作的

6、，是無法進行切割等外科手術操作，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、可任意旋轉和進行手術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有深遠的實際意義，這正是本課題所要研究的主要內容。 目的: 研究肝臟及其內部血管進行64排螺旋CT掃描圖像的特點；研究基于64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)的肝臟及其內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)設計三維

7、重建程序進行肝臟及其內部血管結構三維重建；并在此基礎上研究虛擬肝臟切割手術仿真系統(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虛擬手術仿真的研究虛擬肝臟切割手術(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)導入FreeForm Modeling System-自由設計模型系統(tǒng)二次開發(fā)的虛擬切割的軟件，利用系統(tǒng)的力反饋設備PHANTOM，操縱模擬手術刀對肝臟模型可以進行隨意的切割，建立虛擬肝臟切割手術環(huán)境系統(tǒng)，并對肝臟左外葉腫瘤切除手術的不同方式和右半肝臟切除術進行了肝臟切割手術仿真的研究。 結果: 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虛擬手術仿真的研究 結論: 1．采用先進的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合的方法來分割圖像，三維重建肝臟及其內部血管、腹腔血管，重建的肝臟、肝內血管形態(tài)逼真，立體感強，尤其

10、是腹腔動脈系統(tǒng)管道形象生動，動脈的各級分支的走向、管徑的大小以及血管之間關系清晰，有助于臨床手術時的操作，有助于肝臟及腹腔血管的臨床教學和肝臟血管的研究。 2．采用特殊的造影方法，使得64排螺旋CT肝臟內部管道圖像更加清晰，與肝實質的對比明顯。在此基礎上，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管道結構，得到肝臟模型表面光滑，肝內管道清晰，色彩鮮艷，立體感極強，為肝臟的

11、虛擬手術打下基礎，該模型交互性好，具有極強的可操作性和表現(xiàn)性。 3．在第二部分研究基礎上，進一步開發(fā)設計分割程序和三維重建軟件，利用自行設計的程序進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部管道結構表面雖然粗糙，但立體效果好，無論是構象性還是肝臟的結構比例還是管道的立體走向均能完美再現(xiàn)。該項工作的進一步研發(fā)，有望開發(fā)出具有自主知識產權的針對肝臟圖像的分割和三維重建軟件。 4．采用先進的