腹主动脉瘤形态学二维断面和三维立体测量的误差分析*

尉驰俊，邱 越，袁 丁，郑庭辉†

(1 四川大学建筑与环境学院力学系， 成都 610207； 2 四川大学华西医院血管外科， 成都 610000) (2018年5月14日收稿； 2018年7月10日收修改稿)

腹主动脉瘤(abdominal aortic aneurysm, AAA)是指腹主动脉管壁永久性局限性扩张的情况。90%的腹主动脉瘤发生于肾动脉以下部位，称为肾下腹主动脉瘤。尽管75%的腹主动脉瘤并不会出现明显的临床症状，但是其一旦破裂，患者的死亡率高达78%～94%[1-2]。

AAA的特征几何参数包括AAA的最大直径、瘤的长度、瘤颈直径与瘤颈长度等都曾被推荐为判断AAA是否破裂的重要指针[3]，但这些几何参数和AAA破裂的相关性还并不准确[4]。如目前临床常采用腹主动脉瘤的最大直径作为其是否破裂的判断依据(男性患者瘤直径≥5.5 cm与女性患者瘤直径≥5 cm)[5]。但是，事实上，存在部分小直径的腹主动脉瘤破裂，而大直径瘤未曾破裂的现象[6]。

AAA的特征几何参数对AAA手术方案的制定至关重要，目前，腔内修复术(endovascular, EVAR)是最普遍的治疗腹主动脉瘤的方法[7-8]。在进行手术方案制定时，医生需要借助CT图像测量AAA的一些特征几何参数，如瘤颈直径、瘤体长度等来确定合适的EVAR支架的型号、长度，锚定位置等等[9]。腹主动脉瘤的几何参数与一系列术后并发症息息相关，包括术后内漏、支架侧移、动脉瘤继续增长最后破裂等[10-12]，准确测量其几何参数对预防EVAR术后并发症有着重要的意义。

目前对于AAA的几何参数测量一般是通过对CT断层图像上的长度和角度直接测量得到。这种二维断层面上的测量方法(2D)所测得的仅仅是AAA真实三维数据在二维平面上的投影大小。此类投影量并不能良好地表征出AAA的空间特性(如血管的弯曲性、螺旋性和不对称性等)。我们怀疑正是这种简单的二维断面测量方法导致AAA几何参数测量的不准确性，引起AAA几何参数与破裂相关性不明显、不准确，是引发EVAR术后系列并发症的一个重要因素。这些空间特性可能是AAA病情的决定性因素。

本文将对多个AAA病例进行三维模型重建，得到其三维立体测量(3D)几何参数，并与CT图像测得的二维数据进行比较，判断二维数据是否临床可用。进一步，三维立体测量将提供一些CT图像二维断面测量无法得到的重要AAA几何参数。

1 材料与方法

本研究遵循赫尔辛基宣言并且符合医学伦理要求，并经四川大学华西医院临床试验与生物医学伦理委员会许可。所有数据均从匿名数据库中获得，本实验为纯观测试验，因此省去了患者许可。病人的相关临床信息如表1所示。

表1 AAA患者临床信息表Table 1 Clinical parameters of AAA patients

注：Inr：国际标准化比值(international normalized ratio);FIB：血浆纤维蛋白原(plasma fibrinogen)；PT:凝血酶原时间(prothrombin time).

本实验共使用34例腹主动脉瘤资料，其中19例破裂、15例未破裂。参数测量均为使用患者的CT影像资料通过MIMICS软件(v17.0, Materialize, Leuven Belgium)进行二维三维图像重建测得(图1)。所有CT影像均为512像素×512像素，层厚1.000 mm。所测量的几何参数如图2所示，其中左髂总动脉最大曲率、右髂总动脉最大曲率、腹主动脉瘤体表面积、腹主动脉瘤体体积等数据使用二维断面测量方法无法测量其大小。

图1 腹主动脉瘤三维模型重建示例Fig.1 Example of the reconstructed AAA model

图2 腹主动脉瘤手术所需参数Fig.2 Parameters needed for the AAA operation

2 结果

表2、表3为实验所测得参数。其中二维数据误差=|二维数据、三维数据|/三维数据。

由测量数据可得：

1) 在同一动脉瘤肾下动脉瘤颈直径、扩张前瘤颈直径及左右髂总动脉直径测量上，所测得的二维数据误差普遍低于10%。由于此4处动脉直径均较小，实际区别应为1 mm左右。而在同一动脉瘤最大截面长短轴测量上，所测得的二维数据误差虽然一般低于15%，但存在部分病例误差达到30%以上。由于动脉瘤最大截面长短轴长度较长，实际区别甚至可以达到20 mm以上。

2) 对于瘤颈长度及左右髂总动脉长度，所测得的二维数据普遍具有较大误差，其中部分病例甚至达到90%以上。动脉瘤二维断面测量误差在3%～40%之间均有分布，数值上最大达到96 mm。实验共测量4处位置的角度，所测得的数据在4°～120°范围内，误差在3°～30°范围内。所测得角度普遍存在大角度时测量误差小、小角度时测量误差大的情况。二维断面测量的角度一般会有所偏大。

表2 腹主动脉瘤参数二维断面测量三维立体测量结果Table 2 Parameters of abdominal aortic aneurysmmeasured using the 2D or 3D images

表3 二维断面测量方法无法测量的参数Table 3 Immeasurable parameters forthe 2D measurement

3) 对于二维断面测量方法无法测量的参数：破裂组动脉瘤体体积为(341 599.65±172 374.57)mm3，表面积为(26 236.82±8 585.62)mm2；未破裂组动脉瘤体体积为(133 953.66±60 262.88)mm3，表面积为(15 039.25±4 560.38)mm2。破裂组和未破裂组存在显著差异。破裂组与未破裂组左髂总动脉曲率分别为(0.058±0.027)mm-1与(0.061±0.017)mm-1，右髂总动脉为(0.084±0.050)mm-1与(0.057±0.031)mm-1。破裂组和未破裂组不存在显著差异，但该项数据个体差异较大。

3 讨论

AAA的各项几何形态参数对其治疗有着极其重要的意义，AAA最大直径是病人是否危险、是否需要进行手术治疗的标准；瘤颈长度、瘤颈弯曲角度、髂动脉长度及髂动脉扭曲角度是是否能进行手术及手术方案制定的判断依据[13]。当瘤颈长度过短或髂动脉弯曲程度较大时，EVAR手术就无法进行[14]。准确测量AAA各项几何参数是获得良好治疗效果的重要一步。

从实验测量结果来看二维断面测量方法所得到的肾动脉处瘤颈直径、开始扩张前瘤颈直径、左右髂总动脉直径参数误差较小，临床可用。但是动脉瘤最大截面长短轴、瘤颈长度、左右髂总动脉长度等参数误差很大，尤其是与长度有关的参数，误差可高达90%。在EVAR手术中，动脉瘤长度的测量决定了手术所选取的支架的长度。同时，三维立体测量所测得的左右髂总动脉最大曲率在不同的病例中存在个体差异较大的表现，这对于EVAR远端锚定有着较大的影响。正确选取合理长度的支架是提高手术成功概率与降低术后内漏风险的关键。此外，表3数据显示在腹主动脉瘤二维断面测量无法测得参数中，破裂AAA表面积及体积在数值上要远大于未破裂AAA，即表面积或者体积可能可以作为新的AAA破裂指针。

二维断面测量得到的几何参数数据误差原因有多种。首先，CT图像断面法线方向与动脉瘤轴向不一致会引起误差。CT图像断面法线方向与动脉瘤轴向不一致是引起各项长度误差的最主要因素。实验测量表明，动脉瘤在体内通常与竖直方向存在一定的夹角，且中间时常会有弯折、扭曲现象。弯折、扭曲现象主要出现在瘤颈开始扩张处以及左右髂总动脉处，因此，二维断面测量所得瘤颈长度及左右髂总动脉长度比动脉瘤长度更易产生较大误差。

其次，二维断面测量测量点选取困难也易引起误差。由于二维断面测量测量点的选取通常依靠肉眼的直观判断，同时相邻两张CT断面图像之间的区别并不明显，往往只能判断出测量点应选取的大致范围，而并不能确定地给出测量点的位置。此项原因在自身长度较大的动脉瘤长度等数据上表现并不明显，但是在部分短瘤颈的腹主动脉瘤病例的瘤颈长度测量上显得尤为突出。

第三，CT图断面反映的并非动脉瘤横截面引起误差。通常状况下，CT图像的断面反映的并非动脉瘤横截面，此项因素在动脉瘤最大截面长短轴测量上产生误差最为明显。当所测量的动脉瘤截面为一个斜截面时，较大可能出现所测得长轴比实际值偏大的情况。同时，此项因素对确定动脉瘤最大面积截面位置也会有所影响。当动脉瘤直径变化且CT图像断面法线方向与动脉瘤轴线方向不一致时，CT断面图像有时并不能良好地表现动脉瘤面积的变化。根据CT断面图像判断的动脉瘤面积最大截面位置并非其实际最大截面位置。

第四，动脉直径变化引起误差。此项因素主要对角度测量产生影响。由于二维断面测量中，测量点选取常常在动脉的壁面上，因此当动脉的直径变化幅度越大时，二维断面测量结果与实际动脉中心线角度的偏差就会越大。因动脉直径变化幅度一般较小，其产生的角度误差也大多在5°～20°。当所测量的动脉扭曲角度越大时，此项误差产生的影响就越小。

综上所述，二维断面测量与三维立体测量有着各自的优势。二维断面测量是一种简单快速的测量方法，能够让医生快速地了解病人的大致情况，然而在高效的同时，其较大的误差影响诊断的正确性。例如，由于动脉倾斜或弯曲等因素，大直径动脉瘤与小直径动脉瘤在二维断面测量中可能有着相同的直径表现。如果仅使用二维断面测量方法，并不能制定正确的治疗方案。因此，在临床上使用二维断面测量数据并不推荐，建议使用较为准确的三维立体测量数据。三维立体测量数据相较于二维断面测量数据是一种更好的诊断标准。推进临床上三维立体测量的使用有助于降低错误诊断的几率，为患者提供更好的治疗效果。此外，目前临床上主要以AAA最大直径作为衡量AAA破裂可能性大小的标准。然而，瘤体截面常常并非为圆形而是椭圆形。测量显示，三维立体测量与二维断面测量所得AAA瘤体最大截面长轴误差一般要小于短轴误差。因此，在无法使用三维立体测量方法时，建议使用最大截面长轴作为AAA破裂可能性主要判断依据。

4 实验不足

为了方便进行二维断面测量与三维立体测量数据的对比，实验采用三维立体测量弯曲角度来衡量二维断面测量弯曲角度的误差大小。由于腹主动脉弯曲时是以曲线形态弯曲，因此使用角度并不能准确地表征动脉瘤的弯曲形态。在实验中，所测得的三维立体测量角度只能大致反映动脉的弯曲形态。由此，本实验所得到的二维断面测量角度误差大小并不完全准确。使用动脉弯曲处的最大曲率可以使数据更加准确。此外，三维立体测量所得AAA表面积和体积与AAA破裂的相关性还需要进一步验证。