三维模拟技术在肝脏手术规划中的应用

　　肝脏外科手术难度大、风险高、要求精细,术前规划对手术的成功发挥着重要的作用,但肝脏手术的影像学在肝脏术前规划中有着不。J替代的作用,但肝脏手术的术前数据分析仍是一个艰巨、持久的挑战,促进着肝脏外科手术方式选择的发展。现代影像学在获得原始图像数字化后,通过模拟三维技术、现实增强技术等能充分挖掘原始数据的潜力,进行三维重建后可在虚拟模型上完善手术规划。虚拟模型的建立为医师提供术前模拟手术并可反复熟练和修改手术步骤。现实增强技术的发展更是能将虚拟模型在术中与真实的器官相叠加,展示出虚实结合的新视图。
　　也就是说,三维模拟技术为医帅提供了一双透视的眼睛,能更清晰的分辨出血管的位置,预定节段性控制动、静脉的位置,从而减少出血量;也可与现实环境相结合后,在手术过程中实时跟踪导航,成为肝脏外科手术规划屮真正有力的工具。
　　1三维模拟技术与肝脏解剖
　　对肝脏解剖的精确认识是肝脏手术,包括肝脏肿瘤切除、活体肝移植的关键。由Bisn1uthl修正后的CclLlil△aud肝脏分段被外科医师广泛接受并使用,其以门静脉的分布和肝静脉的位置为解剖基础,用三个纵裂和一个横裂将肝脏分为八段,右、中、左纵裂分别与右、中、左肝静脉相对应,这些都可经CT或MRI扫描所呈现。P1a1ze和Matlrer[2]在19“年首次提出肝段解剖上的变异直接影响着术前的手术规划。三维医学成像技术的出现更为其结论提供了大量数据上的支持。
　　由于个体的肝内解剖变异依靠经典的Cottlnaud分段,可导致约16%的病例在肿瘤定位肝段范围时发生偏差15]。
　　虽然=维的CT和MRI扫描图像中包括了肿瘤、血管和胆管结构的所有信息,但即使是对于经验丰富的医师来说,要清晰的识渎这些结构相互间的立体关系还是有一定的困难。对于单发巨大肝脏肿瘤的定位,二维与三维影像相差无几,但对于转移性或多发性小肝癌,三维成像在对肿瘤定位,重要管道的侵及等方面十分敏感。“lrer等[6∶对转移性肝脏肿瘤的患者,利用CT二维影像与三维成像后的立体影像相对比的研究中得出,二维影像对肿瘤的相应肝段定位的准确率为78%,三维模拟技术对病灶肝段定位准确率为gz】%。因此,国内外研究机构均建议使用三维成像技术和相关的三维模型建立对肝脏进行解剖性肝段划分,三维重建图像能较二维平面图像展示出显著的优势田]。
　　罗建光等[:]对”例肝脏肿瘤患者进行肝脏CT血管成像及三维重建,8例做常规的DSA血管造影。
　　研究发现,三维成像可以清晰地显示出肝内外动、静脉的分布走向及肝脏病灶的动、静脉供血情况,与DSA血管造影显示效果极为相似,并且有简单、方便、经济、快捷、无创等优点。其在对肝动脉显示率中肝固有动脉可达100%、第一级分支为呖5%、第二级分支为50%、第三级分支为18.2%,可补充甚至代替DSA等常规血管造影,成为临床上又一高价值检查手段。王红禄等[9]通过回顾性分析ω例胆囊结石合并胆总管结石患者,经鼻胆管注人造影剂后行螺旋CT三维胆道成像,结果,胆道三维成像清晰,细节显示理想,能立体地、多角度地显示三管一壶腹结构,尤其是胆囊管的解剖关系及走行,汇人胆总管的部位,对腹腔镜胆囊切除术中辨认胆管关系,预防胆道损伤具有较大的作用。
　　2三维模拟技术与肝脏的分割
　　对肝脏的分割是三维模拟重建技术必不可少的骤,通过这一步骤可将肝脏表面及肝脏内部结构按解剖区域分割出来。主要分为两步:第一,将独立的肝脏及相应管道系统图像从整个腹腔中分离出来;第二,将每一肝段的区域范围、肝静脉及门静脉血管、肿瘤及供应血管在肝脏中从肝脏内部至肝脏表面划分出来。
　　2.1肝脏分割
　　将肝脏、胆囊及其附属管道系统从纷杂的腹部中分离出来,呈现出独立的器官三维图像,是利用三维技术进行手术规划的前提。这一步骤可去除在三维读片自由旋转时其余腹部器官的遮挡与干扰,特别是高密度的肋骨和增强后肝脏管道系统的干扰;更可方便拟定手术切除线,分割部分体积的测量。肝脏分割多利用区域增长算法,即首先在正常的肝脏图像灰度中取一种子点,然后使用直方图计算方式将与之类似灰度的点提取形成区域,目前国内外的三维软件均可完成这一步操作。
　　2.2肝段、病灶及肝内管道分割
　　解剖性肝切除是以肿瘤学为基础,力求取得良好预后的手术方式[1⒐"]。由于常见的肝内管道变异、肿瘤的生长及肝切除后肝脏代偿增生都直接影响着肝脏分段的不确定性。所以,Cotllnaud肝分段法仅仅是对各种个体差异的近似表现。
　　Dcl。arba等以阈值增长法显示出增强后二维影像中的肝静脉血管树,对血管树的各分叉处进行标记,使用SmartColltour程序根据标记点分割所有的肝脏像素。同法,以门静脉血管树为基础,可得到Co“睨tld分段法的相应8段区域范围。
　　Lehmann等[14j利用HcpaⅤision软件系统,对家猪肝脏CT扫描数据进行肝段分割,研究基于门静脉分布的三维模拟技术对肝脏分段的灵敏度和精确度的测定。以门静脉原位铸型为金标准,对三维分割结果与铸型分割结果行灵敏度、精确度的比较,结果发现,该软件系统可轻易地显示清晰的肝脏分段。对门静脉5mm以上的血管分割率可达100%,对3~4mm的血管分割也有82%,证明该软件系统可通过对门静脉血管直径≥3mm的管道的探测进行肝段分割。
　　肝段的分割应该尽可能自动化,才能保证结果的准确性。通常肝脏的分割方法有阈值增长法和区域增长法,这些步骤都或多或少需要在某些阶段给予人工干预,降低了分割的效率和准确性。随着计算机软件技术的发展,分割过程更复杂,有许多更自动化的软件也随之开发出来,这些软件可对肝脏进行分段并分别着色,单独分割出病灶、病灶所处肝段、肝静脉或门静脉系统,也可以显示出将两者或多者原位叠合的三维影像。
　　3三维模拟技术与术前风险评估
　　肝切除所涉及风险主要取决于肿瘤位置、是否侵及重要血管结构及肝功能情况等。现代影像学的发展可精确地探查到肿瘤浸润程度及其与重要血管的关系,更有益于评估肝切除术的风险。计算肝切除术后剩余肝脏体积是预测术后是否发生肝功能衰竭的一个重要参数,无肝硬化患者且肝切除后无肝组织缺血或淤血的情况下,可耐受切除肝总量的70%~80%[1⒐20];但有重度脂肪肝或近期行化疗的患者,肝切除量不应大于总量的绷%,对于存在肝硬化患者肝切除量控制在50%以内是安全的[2⒈22]。
　　二维的CT增强扫描或MRI术前对肝脏体积的评估,与实际重量相比误差高达36%,主要是由于计算机对某些区域的重复计算或漏算造成的。Rau等[25]在一项术前与术后的前瞻性研究中,分析了570例患者的术后风险,发现利用三维模拟技术有助于术前进行虚拟操作规划,三维技术可让医师虚拟地看到术前、术中、术后与实际情况接近的肝脏形态。另外,三维模拟技术对肿瘤大小的精确计算也有利于肝切除风险准确评估。
　　hng等L26]对笏例肝癌患者进行队列研究中,用二维与三维两种方法进行术前规划,通过计算肝切除后残肝量来评估手术风险。结果显示,两种方法对残肝量计算的标准偏差为⒛%,三维技术可提供术前相应门静脉分布肝段的范围及肝静脉回流区域范围的准确视图,术前便可制定手术规划以避免肝切除后正常肝脏实质的缺血或淤血,这些三维信息对需要扩大切除或血管重建病例的术前规划影响更大。由于右肝内的血管系统变异较大,特别是肝右静脉及肝中静脉的变异,当行深入到右肝内的手术,如扩大左半肝切除和中肝切除时,更需要利用三维模拟技术术前规划进行术前风险分析。这些术前规划的制定,可有效降低术后肝功能衰竭、部分残肝坏死、术后感染、胆漏的风险。将三维模拟技术应用于精准肝切除更有利于对肝脏解剖和功能状态进行细致深人的个体化分析,能明显减少肝切除术患者的失血量和输血量[27]。
　　4三维模拟技术与手术导航
　　手术导航系统是运用CT、PET、MRI或B超产生的原始影像数据,借助计算机图形技术和可视化技术产生虚拟影像,并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实的环境中,同时借助显示设各将虚拟影像与真实环境融合为一体,为使用者呈现出一个感官效果真实的新环境[2:99],手术导航系统具有虚实结合、实时交互、三维呈现的新特点。
　　利用模拟技术术前手术规划,主要是通过术前对每个患者脏器解剖的熟悉和模拟手术的训练,来提高手术效率,减少手术创伤。然而,仅是术前利用模拟技术不足以在手术中确保手术的安全。手术导航是模拟技术的发展趋势,实时跟踪手术导航系统必须依赖于虚拟技术提供的可视化影像。手术导航系统现已广泛应用于骨科、脑外科、耳鼻颌面科等领域,并且技术日益成熟,其对刚性组织的定位精确度可高达1.0mm[⒛」;相对于硬组织的导航,软组织的应用仍处于探索阶段。
　　在肝脏外科领域,由于肝脏不断随着呼吸运动发生位移,肝脏是软组织,在手术过程中的操作会使肝脏形状、肝内的管道系统发生很大绝对与相对位置上的改变,会使导航效果产生很大的偏差,这对于精细的肝脏外科手术是不可接受的。要实现实时跟踪手术导航主要有两个步骤[31]:(1)将虚拟影像与真实环境相叠加;(2)虚拟影像必须与真实环境同步移动。
　　Hclstettler[32]等利用软件对虚拟影像预测性模拟患者的呼吸运动频率,实现与肝脏随呼吸运动发生位移的同步,结果证明这种预测性模拟技术可行性。等[33]通过应用固定在肝脏表面的光学测量系统来实现实时测量肝脏的空间位置,根据探头所在位置的肝脏变形,调整虚拟影像,作出相应的改变,该方法可实现实时跟踪肝脏的位置,并减少了由于肝脏变形引起的36%的空问偏差,证实这种方法可用于开放肝脏手术的导航。
　　5三维模拟技术的限制与不足
　　肝脏三维模拟技术现在大多还是在大型CT所随带的大型工作站或具有高速处理功能的高配置电脑上运行,也大多由影像技师掌握,三维技术要直接应用于临床,被更多的临床医师所掌握使用还有些限制。临床医师要得到三维技术主要的限制有:(1)临床科室没有大型影像工作站(现在市场上虽然有各类功能齐全的三维影像处理工作站出售,但费用较高,难以普及);(2)国内有不少临床单位都在自行开发能在PC机(个人计算机)上运行的三维处理软件,功能上都或多或少存在不全面,需要人工干预较多,效果不尽人意;(3)由于大部分医院DICOM格式的原始影像数据储存于CT室存储设备内,临床医师不方便得到。DIC0M格式是医学影像专用传输数据格式,其数据包含扫描层间距、Ⅹ轴和Y轴方向的具体像素大小等,这些信息都是进行三维模拟成像所必须的;(4)三维模拟成像还要求是增强扫描的数据,由于平扫的数据在灰度上各组织(包括肝内的肝组织与肿瘤组织、肝静脉、门静脉、胆道等)相差不大,软件难以进行分割等处理。以上软、硬件的条件都限制了三维模拟技术在临床上的发展应用,使临床医师难以利用该技术辅助术前规划。
　　三维模拟技术还处于不断研发、探索的初始阶段,只能服务于术前三维呈现、术前模拟模型的建立并模拟手术等步骤。对于完全模拟肝脏等器官的生理功能:如术中肝脏血液的供应、阻断情况,胆汁分泌排泄情况,肝切除手术出血量等情况尚属空白。在肝脏手术导航方面国内尚无报道,国外也处于探索阶段。
　　6结语
　　一种科学技术的发展必然会加快与之相关领域的前进步伐,三维模拟技术的发展为肝脏手术提供了术前规划的具体细节,可以全面了解到每个患者的解剖变异,可将肝脏表面及肝脏内部结构按解剖区域分割出来,计算各部分肝脏体积并评估手术风险,划分病灶所处肝段,从而最大限度地降低手术并发症发病率。如果说CT的问世使医师能断层地看到体内结构,那么三维模拟技术则能使医师立体地看到体内的每个细节,甚至能虚拟的触摸到相应器官。我们期盼,三维模拟技术能在肝脏外科手术规划中发挥更大的作用。
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