肝和肝血管三维重建的临床应用

晁 凡 沈若武▲ 张景利 赵 成 管文敏 周宇石 刘方圆 谷 方

1.青岛大学医学院人体解剖学教研室，山东青岛 266071；2.青岛大学医学院附属医院放射科，山东青岛 266003

肝和肝血管三维重建的临床应用

晁 凡1沈若武1▲张景利2赵 成1管文敏1周宇石1刘方圆1谷 方1

1.青岛大学医学院人体解剖学教研室，山东青岛 266071；2.青岛大学医学院附属医院放射科，山东青岛 266003

目的 对肝脏和肝血管进行三维重建可视化并进行肝分段，探讨其意义及临床应用。 方法 利用Mimics软件对24例晚期弥漫性肝癌患者CT扫描数据进行图像分割并进行三维重建，根据每个患者肝血管的分支和Couinaud分段法对肝脏进行个体化分段，计算肝和各肝段的平均体积。 结果 重建后获得形态逼真的肝脏和肝血管的三维模型，测得患者全肝平均体积达（2683.26±671.53）cm3。对肝脏进行了分段，通过三维模型能准确计算出各肝段的平均体积。结论 三维重建、肝脏分段和体积测量为患者的诊断、后续治疗和手术风险评估提供了参考，来源于活人体的三维图形也可以用于科研和教学。

肝；肝血管；三维重建；肝切除术

近年来，随着信息技术的发展，计算机软件技术被应用于医学研究的各个领域，对医学领域产生了重大的影响，并随之诞生了一系列医学相关的计算机软件[1-2]，基于连续CT扫描数据集的三维重建也有了很大的发展。曾经有学者对正常肝脏的三维重建进行研究[3-5]，但对于肝癌患者的个体化三维重建的研究却很少。本研究利用Mimics软件，对24例晚期弥漫性肝癌（diffuse hepatocellular carcinoma，DHCC）患者64排螺旋CT扫描数据进行图像分割与三维重建，并对肝的三维模型进行了Couinaud分段，计算出各肝段的体积，显示三维模型有重要的临床参考价值。

1 材料与方法

1.1 一般材料

收集2009年3月～2011年8月由青岛大学医学院附属医院收治后被确诊为未伴有病毒性肝炎的弥漫型肝癌的24例晚期DHCC患者胸腹部64排螺旋CT扫描数据集，男性16例，女性8例，年龄45～67岁。图像数据分为肝动脉期、门静脉期和平衡期。主要扫描条件为：管电压120 kV，管电流45.5 mAs，层厚1 mm。图像参数：长512像素，宽512像素，像素大小0.699 mm。

1.2 研究平台

硬件平台：个人计算机（PC），处理器 Intel（R） Core i3，安装内存2G，显卡ATI Mobility Radeon HD 4500 Series。

软件平台：操作系统为Windows 7旗舰版，三维重建软件为Mimics10.01（Materialise公司，比利时）。

1.3 图像分割与三维重建

将动脉期数据导入Mimics，动脉阈值确定为94～2900Hu。将动脉的三维模型输出为标准模板库（standard template library，STL）格式。将平衡期数据导入Mimics，运用上述方法分割并重建出肝静脉、门静脉和肝脏的三维模型（其中肝静脉和肝脏的图像阈值设定为94～2900 Hu，门静脉的图像阈值设定为107～2900 Hu）。设置肝脏三维模型的透明度为低，即可同时观察肝脏、动脉、门静脉和肝静脉的三维模型（图 1）。

1.4 肝分段和体积测量

获得全肝和肝血管三维模型后，参考Couinaud分段法[6]同时根据每个患者个体的Glisson系统走行，对肝脏三维模型进行分段。仔细观察血管走行与肝脏的关系，根据Couinaud分段法对肝脏的三维模型进行分割，将肝脏分为8段，并以不同颜色显示。重建出三维模型后，软件将自动计算各肝段三维模型的体积，在三维模型信息中即可查看。采用构成比计算各肝段体积占全肝体积的百分比。

2 结果

2.1 64排螺旋CT肝脏扫描数据

共收集了动脉期、门静脉期、平衡期3组数据，各期数据扫描起始点相同，扫描条件相同。动脉期图像中动脉轮廓明显，与周围组织对比清楚，易于进行图像分割；稳定期图像中门静脉与肝静脉轮廓清晰，肝脏轮廓明显，用来分割肝静脉、门静脉和肝脏的图像。

2.2 图像分割与三维重建

运用前文中所述方法分别对肝动脉、肝门静脉、肝静脉和肝脏进行图像分割，即可获得各结构的蒙版。对各蒙版进行三维重建后即获得三维模型，三维模型结构清晰，立体效果好，各部位的三维模型可以从任意角度观察，可以以多种颜色、透明化、任意组合显示（图1）。可以对肝脏三维模型进行透明化处理，以同时显示肝脏和血管，可准确观察血管在肝脏内的走行。重建出三维模型后，软件会自动计算三维模型体积。

2.3 肝分段和体积的测量

根据Couinaud分段法，同时注意观察患者的门静脉走行是否有变异，对肝脏的三维模型进行切割，把肝脏分为8段，分别以不同颜色显示。对各肝段进行透明化显示，可直观地观察各肝段内血管的走行，并根据需要对各个部位添加标注（图1）。可以对三维模型进行旋转、放大、缩小，多方位任意观察。软件中三维模型信息可显示自动计算的三维模型体积，记录结果（表 1），全肝平均体积为（2683.26±671.53）cm3，患者全肝体积明显增大。

表1 肝段体积的测量（±s）

表1 肝段体积的测量（±s）

平均全肝体积为（2683.26±671.53） cm3

肝段 体积（cm3） 占全肝比例（%）ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧ50.45±15.31 78.71±24.12 238.59±49.51 167.01±37.84 400.66±89.71 479.60±105.91 594.37±165.68 673.88±219.31 1.9±0.3 2.9±0.6 8.9±1.9 6.2±1.3 14.9±4.2 17.9±4.9 22.2±6.1 25.1±7.2

3 讨论

3.1 肝脏、肝血管三维重建的意义

目前，医学生和研究人员通常采用尸体标本学习和研究肝脏病理学，在解剖尸体标本的过程中难免对标本造成损伤，标本的脏器、组织结构容易被破坏或移位，而通过纸质解剖图谱仅能观察到解剖部位的某一个侧面或切面，并不能直观地观察和学习整体的三维解剖结构。而且，虽然目前已有许多对正常人各局部、脏器进行三维重建的研究[3-5]，却少有对病变脏器进行个性化三维重建的研究。另外，医院的大型螺旋CT都带有三维重建功能，可以在一定程度上反映肝脏和血管的走行，但其三维重建色彩单一，不能任意组合显示，更不能对三维模型进行透明化处理，而且三维重建操作只能在CT工作站上进行，具有一定的局限性。本研究在个人计算机上利用64排螺旋CT扫描数据进行三维重建，重建出的三维模型可以反映出患者活体脏器的立体结构位置和形状，并可以以任意颜色组合显示，可以对部分模型进行透明化处理，三维模型在个人计算机上即可查看。患者的个性化三维模型可为临床医师提供参考，为肝手术方案的制订提供相关信息[7]。由于恶性肿瘤的生长，晚期肝癌患者肝脏的形态、血管走行往往发生很大变化，与正常人有较大差异。因此，术前诊断和准备非常重要，如果没有提前准备，手术过程中不加留意，很容易损伤到血管造成大出血，甚至威胁患者的生命。对肝癌患者的CT扫描数据进行三维重建，有助于医师在术前了解患者个体的内部结构、血管深度与走行、是否有变异等，另外，也可以通过三维模型对患者肝脏进行虚拟手术，对手术的进行有重要指导意义[8-9]。

3.2 肝、肝血管的三维重建可视化基础上进行肝分段和体积测量

1954 年，Couinaud根据Glisson系统的分支与分布和肝静脉的走行，把肝分为左、右肝、五叶和八段。由于肝门静脉和肝静脉常出现变异[10]，因此经典的Couinaud分段法具有一定的局限性，数字建模需要根据患者个体的Glisson系统走行进行，不能盲目程式化。本研究参考Couinaud分段法，根据各个患者Glisson系统走行，对其肝脏进行分段后，将各个肝段着色，可将肝脏中血管、肝段之间的关系更加直观地呈现给主治医师，帮助其了解不同患者的不同肝脏结构，切除肝段时，能避免伤及大血管结构；另外，行肝脏肿瘤的切除术时，要对肿瘤所在的肝段整个切除，因为同一个肝段由同一套大血管供血，否则残余组织会缺血坏死。三维肝段还可以将患者的个性化信息的定量描述提供给医师，帮助医师为该患者确定手术方案，提高手术成功率。同时可以行模拟手术，对手术方案进行风险预评估[11-12]。

进行肝分段操作后，可以测算各肝段体积和占全肝的比例。术前可根据测算出的各肝段体积及其占全肝体积比例，计算术后残留肝脏体积，对手术进行风险预估。根据肝脏的个体化分段，定位肿瘤所在的肝段，荷瘤肝段应被完全切除，可以测算切除的荷瘤肝段体积和剩余肝脏体积。实际切除的肝脏体积百分比=荷瘤肝段体积/全肝体积×100%，剩余肝脏体积百分比=1-实际切除的肝脏体积百分比。若经体积测算后，实际切除的功能肝脏体积≤50%，则实际手术即可按照此范围进行[13]。利用Mimics软件进行肝分段并测算各肝段体积的方法，相比传统的通过CT和人工测算的方法，软件可以在重建出三维模型后自动测算出各肝段体积，操作简单易行，结果可靠，能为手术前预估切除肝段体积、评价手术安全性提供参考[14-15]。

另外，由于目前对病变肝脏的三维重建的研究较少，鲜有病变的三维模型可供参考，而且传统病理标本往往不能反映病变器官在活体内的形态，本研究中进行的DHCC三维数字化建模可以准确地反映出患者活体内的肝脏的形态与血管走行，为病理学、肝胆外科医师和研究人员提供生动形象的模型参考。通过Mimics软件进行肝脏分段可以极大地提高肝脏分段的正确性，更好地分析不同个体间肝脏结构的异同。同时，摆脱了传统的通过平面来描述立体肝段的方法，更加形象地将肝段结构呈现在研究人员面前，有助于提高对肝脏结构的了解，对疾病的诊断和治疗方案的确定具有重要的参考意义。

[1]Li XP，Han DM，Xia Y，et al.Computer three-dimensional reconstruction of temporal bone based on CT slices and real model duplication[J].Zhonghua Er Bi Yan Hou Tou Jing Wai Ke Za Zhi，2007，42（4）：296-298.

[2]Gasparini FF，Navarro OM，Dasgupta R，et al.Ileocolic intussusception mimicking the imaging appearance of midgut volvulus as a result of extrinsic duodenal obstruction[J].Pediatr Radiol，2005，35（12）：1246-1249.

[3]Harms J，Barrels M，Bourquain IT，et al Computerized CT-based 3D visualization technique in living related liver transplantation[J].Transplant Proc，2005，37（2）：1059-1062.

[4]Zhang SX，Heng PA，Liu ZJ，et al.The Chinese Visible Human（CVH）datasets incorporate technical and imaging advances on earlier digital humans[J].J Anat，2004，204（3）：165-173.

[5]陈刚，晋云，谭立文，等.三维数字虚拟人体肝脏系统的建立及其应用[J].第三军医大学学报，2008，30（22）：2103-2106.

[6]刘树伟.使用国际公认的肝段划分法[J].临床医学影像杂志，1995，6（2）：92-94.

[7]朱新勇，方驰华，鲍苏苏，等.基于64排螺旋CT扫描数据三维肝脏手术仿真的研究[J].中华外科杂志，2008，46（1）：27-29.

[8]Efstathopoulos EP，Kelekis NL，Pantos I，et al.Reduction of the estimated radiation dose and associated patient risk with prospective ECG-gated 256-slice CT coronary angiography[J].Phys Med Biol，2009，54（17）：5209-5222.

[9]付必莽，张捷，孙勇，等.256层智能CT精准肝切除模型的建立及临床应用[J].肝胆外科杂志，2010，18（3）：202-205.

[10]沈柏用.肝脏分段解剖的新认识[J].世界华人消化杂志，2008，16（9）：913-918.

[11]张志伟，陈孝平，胡道予.多排螺旋CT三维重建在肝脏外科中的应用[J].中国实用外科杂志，2004，24（11）：666-668.

[12]张金辉.数字医学技术在活体肝移植术前评估中的应用价值[J].中国实用外科杂志，2013，33（1）：35-37.

[13]窦科峰.极量肝切除的技术思考[J].中国实用外科杂志，2008，28（9）：736-739.

[14]苏昭杰，段朋，刘昌华，等.三维可视化系统在肝门部胆管癌治疗中的应用[J].中华消化外科杂志，2013，12（3）：213-216.

[15]周晓俊，秦磊，钱海鑫，等.虚拟肝脏手术对肝脏手术方案与术中策略的影响[J].中华肝胆外科杂志，2013，19（2）：93-97.

The clinical application of three-dimensional reconstruction of liver and liver blood vessels

CHAO Fan1SHEN Ruo-wu1▲ ZHANG Jing-li2ZHAO Cheng1GUAN Wen-min1ZHOU Yu-shi1LIU Fangyuan1GU Fang1

1.Department of Human Anatomy,Medicine College Qingdao University,Shandong Province,Qingdao 266071,China;2.Radiology Department,Affiliated HospitalofMedicineCollege Qingdao University,Shandong Province,Qingdao 266003,China

ObjectiveTo perform three-dimensional reconstruction visualization and segmentation on liver and liver blood vessels and to explore their significance and clinical application.MethodsMimics software was used to perform image segmentation and three-dimensional reconstruction on the CT scan data of 24 patients who were diagnosed with advanced diffuse hepatocellular carcinoma.Individualized segmentation was performed according to each patient′s hepatic artery branches and the Couinaud segmentation method,and the average volume of the liver and each segment were calculated.ResultsVivid three-dimensional models of liver and liver blood vessels were constructed through three-dimensional reconstruction.The average volume of the whole liver was(2683.26±671.53)cm3.After segmentation,the exact average volume of each liver segment could be calculated from the three-dimensional model.ConclusionThree-dimensional reconstruction,liver segmentation and volume measurement provide references for the diagnosis,follow-up care and surgical risk assessment of patients.Three-dimensional graphics derived from the living body can also be used for research,teaching and learning.

Liver;Liver blood vessels;Three-dimensional reconstruction;Hepatectomy

R735.7；R322.4+7；R813

A

1674-4721（2013）08（b）-0004-03

国家自然科学基金资助项目（81171408）；青岛大学本科生创新实验

晁凡（1991-），男，汉族，山东济宁人，大学本科在读，研究方向：临床应用解剖学

▲通讯作者：沈若武（1973-），副教授，硕士生导师，研究方向：临床应用解剖学

2013-05-31 本文编辑：林利利）