肝脏静脉管道系统三维可视化应用研究*

唐 卓,李 恺

(第三军医大学:1.学员旅八队;2.人体解剖学教研室,重庆400038)

肝脏是人体内体积最大的消化器官,肝内管道分支分布和走形复杂,特别是两套静脉管道系统,在肝脏切除和手术移植等临床外科应用方面具有重要意义。在肝脏手术中,要对静脉管道分离、结扎与切除,就涉及到必须获取肝脏中静脉管道的三维数据,传统的肝脏静脉管道解剖资料多为二维平面图像,无法对管道系统的全部信息进行描述和分析。本研究所采用的可视化研究着重从三维结构对管道系统进行全面剖析,在计算机上进行肝脏静脉管道的三维重建,获取肝内静脉管道的具体走形及精确定位数据,使得肝脏的外科手术操作向着精确化、数据化、信息化发展[1]。

1 资料与方法

1.1 数据获取 选择首例中国可视化人体(chinese visible human,CVH)数据集[2-3](铣切精度0.001 mm,摄影分辨率630万像素),选取自下腔静脉平面至肝右叶下缘平面的连续薄层断面图像数据集,层间距为1.0 mm,即体素大小为0.167 mm×0.167 mm×1.0 mm。

1.2 数据分割 应用3D-DOCTOR 3.5三维重建软件按照边界数据线提取分割法,将经过精确配准的连续断面图像数据集进行断层参数设置。赋予肝内静脉管道以不同的颜色进行逐层数据分割提取,创建目标结构的边界数据集。

1.3 三维重建 在计算机上调运prj数据文件,应用 3DDOCTOR 3.5软件的三维重建功能进行面数据和体数据三维重建并立体显示。以重建结构中的肝静脉属支、肝后段下腔静脉和肝内门静脉分支的走行、分布和相互间空间关系为观察重点,进行三维重建结果的动态交互观测。

1.4 坐标系建立 以连续图像序列的最顶层为基准平面,垂直与该平面左上顶点的轴线为Z轴,在该三维空间内建立可视化模型坐标系。在坐标系中,通过横断面、冠状断面、矢状断面的重采样图像观测肝内静脉管道系统数字化解剖模型。

1.5 可视化显示 在三维可视化平台上,直接使用鼠标对观察器中显示的几何体完成交互操作,按住鼠标在观察器窗口内将对象进行旋转、移动以及放大或缩小,应用三维观察器能从不同方位对可视化模型作仔细观察,在三维观察器内选择二维或三维测量工具进行可视化对象平面或空间距离、角度数据的测量。

2 结 果

2.1 管道系统断层解剖结构

2.1.1 经肝脏顶部层面 该层面左、右肺及心脏占据了断面大部分面积,肝脏顶部在右肺中叶和右肺下叶之间出现,断面呈卵圆形,长轴呈向左约60°角倾斜,肝内可见稀疏分布的细小管道截面。肝脏的表面覆以膈肌,其断面呈“C”形环绕于肝脏顶部的外缘,“C”形开口向左,开口处为位于肝脏顶部左侧的肝后段下腔静脉,管腔大小为24.6 mm×17.0 mm,距离肝左缘8.1 mm;肝后段下腔静脉位于肝脏与心脏之间偏后,左前方紧贴心包右壁,左后方依次为食管和胸段主动脉,见封2图1。

2.1.2 经肝中静脉属支汇合层面 该层面,如以下腔静脉断面中央为基准,3个肝静脉支形成“W”型分布,若以下腔静脉中心为原点建立坐标系,在该坐标系内,肝左、中、右静脉的断面位置位于与X坐标轴夹角约为45°、120°、195°的连线上,之间的夹角大致为60°～90°,门静脉左支和右支走行于肝静脉之间,与其互相穿插;若通过肝左静脉、肝中静脉和肝右静脉断面中心与下腔静脉断面中心之间进行连线,其连线分别大致代表左叶间裂、正中裂和右叶间裂;肝右静脉距离肝后段下腔静脉即肝静脉注入端为26.8 mm,此点向前距门静脉右干17.2 mm,向下距门静脉右干约27.3 mm,见封2图2。

2.2 肝内静脉管道系统可视化显示 肝静脉于肝脏后部第二肝门处出肝,其属支所形成的夹角尖端指向第二肝门方向。在距离肝脏上缘42 mm的第二肝门处,可见肝左静脉、肝中静脉、和肝右静脉汇聚于肝静脉沟的上分,分别注入肝后段下腔静脉前壁;肝左静脉主干呈凸向左上方的弓形向右上方走行,在左叶间裂处接受肝左叶内侧叶上静脉的注入,并汇合肝左后缘静脉和左叶间静脉汇入肝后段下腔静脉;肝中静脉主干由左根和右根在门静脉分叉点稍上方汇合形成后,在主裂下半分内上行,接受肝中静脉右上支的注入,最后与肝左静脉合干,共同开口于肝后段下腔静脉的左前壁;肝右静脉主干由肝右后上静脉和肝右后下静脉汇合而成,位于肝右叶间裂内,主干向左上方走行,出肝后注入下腔静脉肝后段的右前外侧壁,注入处较肝左静脉汇合中静脉共干注入位置稍低,见封2图3。

建立三维可视化坐标系,可以对重构对象进行网格分割,从而获得管道系统的网格数,表面积和体积数值,完全可以实现肝内静脉手术的准确定位,选择合适的路径,减少手术带来的并发症。利用软件功能对肝内门体静脉的手术设计进行入路模拟,建立手术路径,测量进入角度和深度等结果,为下一步的研究提供了立体形态学基础。

坐标系由原始图像(分辨率为3 072×2 048像素)以裁剪为2 800×1 400像素的连续图像数据集构成,每个体素元大小为0.167 mm×0.167 mm×1.0 mm。创建正向坐标轴系,X、Y、Z轴的交点为正向轴系原点,坐标轴单位为 mm,以刻度形式显示可视化模型的具体结构的坐标系位置。以坐标轴为定量标准,通过网格计数方法计算出该段腔静脉表面积为32 220 mm2,体积为88 361 mm3,该段门静脉表面积为14 839 mm2,体积为22 583 mm3。以肝静脉与腔静脉交汇处为起点,向肝右静脉方向距离起点20 mm,此处视野清晰,活动度较大,在可视化仿真平台上具有重要意义,见封2图4。

3 讨 论

3.1 肝脏静脉管道的断面解剖学意义 肝脏手术中的大出血曾经一度是困扰肝脏外科专家的一大难题,要彻底做到在手术中避免血管的判断错误,就必须在解剖位置上对静脉管道有深刻认识。本实验在断面解剖图像的基础上通过三维定位技术能准确测量出静脉管道的解剖数据,以坐标为标定工具,形象地表示了肝静脉的具体走形,这对于血管的分离处理可以起到关键性的作用。同时可以在断层图像上用血管定位叶间裂,加强对肝脏各分段的区别。结果显示经肝脏顶部的肝后端的下腔静脉到肝左缘间隙狭窄,同时左前紧贴心包右壁,此段若采用穿刺注意勿伤到心包。

肝脏移植等手术中由于存在管道的复杂性和变异性,增加了临床治愈的风险。为此利用三维重建技术提取断层解剖数据,进而在可视化平台上进行肝脏表面投影距离的测算,同时运用统计学的原理,比较术前各设计方案可行性的差异,模拟前要综合结构变化情况,特别是管道属支的分布、走形,运算起来有其相当的复杂性,但可以弥补CT的显示组织密度差的局限性和M RI的空间分辨率不足的问题,这是将来影像技术发展的重要方向。

3.2 可视化肝脏管道模型建立对于应用解剖的意义 人体计算机虚拟可视化研究在医学上的应用可满足三维临床医学数据的可视化需求[4]。肝脏为人体重要的消化器官,肝后脉管位置深,周围有较多的重要器官和血管,外科手术很容易损伤肝内血管。肝脏管道的解剖学习大多是通过观摩解剖图谱、解剖实习课以及手术中临床实际观察进行学习。对于素描解剖图谱,资料来源大多根据绘制者的经验而非真实个体,不能够全面了解真实活体中肝内管道解剖结构和周围毗邻关系,另外解剖图谱仍属二维,难以理解Glisson氏系统的复杂性。

肝内管道在人体内的走形不易理解,特别是肝门处的管道分支,外科医生在一般的肝脏手术中难以探查到。这主要取决于二维影像资料不能全面反映管道的定位情况及变异情况,传统解剖资料不能准确描述Glisson氏系统与脏器的相对位置关系,所以在解剖及应用中极易发生肝内血管损伤,在手术中若损伤则易发生大出血危及患者生命。而三维重建和可视化的资料则能从空间上弥补传统资料的不足,多方位的学习和虚拟解剖操作能加深对肝内管道解剖位置的掌握和理解,能对今后的临床操作起到关键性的帮助。

3.3 三维可视化对于临床诊断的意义 肝脏静脉管道系统是一个解剖结构复杂且相互联系紧密的多层次结构整体,现有的肝脏解剖学资料是将人体标本剖切开以后进行观察和测量而获得的,最大的缺陷在于缺乏对器官或结构在空间位置的准确定位、三维数据测量和立体形态的多方位显示,这对于临床应用和手术开展都缺少精确的数据支持。近几年有通过影像资料对肝脏进行三维重建的研究[5-7],但由于没有具体的图像分割方法,缺少理论性依据。而三维可视化技术与传统的CT、MRI技术相比较,除了能清晰显示结构关系,更能从定量角度对管道系统的病理结构变化给出直观判断,不但可以使诊断简化,而且在临床诊断信息录入中可以建立数字化平台,减少误诊带来的医疗事故。尽管CT、MRI技术已日趋成熟,但医生也仅仅在二维的平面上做出对肝脏管道系统的局部判断,存在一定的误诊率。可视化平台能让医疗工作者在虚拟的诊断系统内完整清楚地观察到静脉系统的走形和毗邻结构,更真实具体感受病变的结构。因此利用可视化软件实现其解剖结构的三维可视化,可以此为虚拟肝脏管道系统模型的建立探索一种精确的重建方法和显示手段。

3.4 三维可视化对于仿真手术的意义 三维可视化的重建模型有助于了解管道空间结构总体观,可以对仿真手术的方案设计进行合理选择。在仿真环境中,应用虚拟手术器械可以充分模拟真实的手术过程,而对结构可视化的程度要求较高,只有可视化的提前演示才能在虚拟环境中成功进行术前规划。方驰华等[8]在力反馈设备的基础上进行虚拟数字化肝脏切割仿真手术的研究,使个体化肝脏仿真手术及术前预设成为可能,下一步在肝内管道上的虚拟手术也可以在三维可视的平台上得到相应的实验。

本实验也未能进一步反映肝内管道的血流动力学和形态生物过程,但三维可视化的研究可以使得仿真系统在临床治疗中更加实用。预先将肝内管道的三维重建模型导入虚拟切割软件,建立虚拟手术切割系统的虚拟环境,模拟手术全过程。通过可视化仿真手术进行术前的反复练习,使手术组医生熟悉术前该患者的解剖,熟练手术步骤,有利于手术过程中的配合,缩短手术时间,减少术中出血,防止手术过程损伤重要的组织器官,降低手术的风险性,提高手术成功率,具有很好的实用价值。

运用三维可视化手段显示肝脏内部管道系统,还可以为微创外科手术提供更多方案[9],特别是血管介入治疗和腹腔镜技术。在血管介入治疗中,通过对管道的可视化显示,精确定位术中穿刺点,避免造成位置不清,出现成角现象[10]。而腹腔镜手术中通过对管道的三维重建,提供了管道入路数据,可以获得最便捷、最准确的进入方式。相比传统手术,提高了手术操作的成功率。虚拟现场(virtual reality)与实时成像(realtime imaging)可能主导21世纪的肝脏外科[11]。因此,包含丰富信息的数字化可视人体肝脏静脉管道的数据挖掘与知识发现具有重要的研究意义。将数字化可视人体的三维模型与临床专业领域的知识与需求相结合,开发出具有行业特色的可视化平台,将是未来的研究热点。

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