肝臟靜脈管道系統(tǒng)三維可視化應(yīng)用研究*

唐 卓,李 愷

(第三軍醫(yī)大學(xué):1.學(xué)員旅八隊(duì);2.人體解剖學(xué)教研室,重慶400038)

肝臟是人體內(nèi)體積最大的消化器官,肝內(nèi)管道分支分布和走形復(fù)雜,特別是兩套靜脈管道系統(tǒng),在肝臟切除和手術(shù)移植等臨床外科應(yīng)用方面具有重要意義。在肝臟手術(shù)中,要對(duì)靜脈管道分離、結(jié)扎與切除,就涉及到必須獲取肝臟中靜脈管道的三維數(shù)據(jù),傳統(tǒng)的肝臟靜脈管道解剖資料多為二維平面圖像,無(wú)法對(duì)管道系統(tǒng)的全部信息進(jìn)行描述和分析。本研究所采用的可視化研究著重從三維結(jié)構(gòu)對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行全面剖析,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行肝臟靜脈管道的三維重建,獲取肝內(nèi)靜脈管道的具體走形及精確定位數(shù)據(jù),使得肝臟的外科手術(shù)操作向著精確化、數(shù)據(jù)化、信息化發(fā)展[1]。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取 選擇首例中國(guó)可視化人體(chinese visible human,CVH)數(shù)據(jù)集[2-3](銑切精度0.001 mm,攝影分辨率630萬(wàn)像素),選取自下腔靜脈平面至肝右葉下緣平面的連續(xù)薄層斷面圖像數(shù)據(jù)集,層間距為1.0 mm,即體素大小為0.167 mm×0.167 mm×1.0 mm。

1.2 數(shù)據(jù)分割 應(yīng)用3D-DOCTOR 3.5三維重建軟件按照邊界數(shù)據(jù)線提取分割法,將經(jīng)過(guò)精確配準(zhǔn)的連續(xù)斷面圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行斷層參數(shù)設(shè)置。賦予肝內(nèi)靜脈管道以不同的顏色進(jìn)行逐層數(shù)據(jù)分割提取,創(chuàng)建目標(biāo)結(jié)構(gòu)的邊界數(shù)據(jù)集。

1.3 三維重建 在計(jì)算機(jī)上調(diào)運(yùn)prj數(shù)據(jù)文件,應(yīng)用 3DDOCTOR 3.5軟件的三維重建功能進(jìn)行面數(shù)據(jù)和體數(shù)據(jù)三維重建并立體顯示。以重建結(jié)構(gòu)中的肝靜脈屬支、肝后段下腔靜脈和肝內(nèi)門(mén)靜脈分支的走行、分布和相互間空間關(guān)系為觀察重點(diǎn),進(jìn)行三維重建結(jié)果的動(dòng)態(tài)交互觀測(cè)。

1.4 坐標(biāo)系建立 以連續(xù)圖像序列的最頂層為基準(zhǔn)平面,垂直與該平面左上頂點(diǎn)的軸線為Z軸,在該三維空間內(nèi)建立可視化模型坐標(biāo)系。在坐標(biāo)系中,通過(guò)橫斷面、冠狀斷面、矢狀斷面的重采樣圖像觀測(cè)肝內(nèi)靜脈管道系統(tǒng)數(shù)字化解剖模型。

1.5 可視化顯示 在三維可視化平臺(tái)上,直接使用鼠標(biāo)對(duì)觀察器中顯示的幾何體完成交互操作,按住鼠標(biāo)在觀察器窗口內(nèi)將對(duì)象進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)以及放大或縮小,應(yīng)用三維觀察器能從不同方位對(duì)可視化模型作仔細(xì)觀察,在三維觀察器內(nèi)選擇二維或三維測(cè)量工具進(jìn)行可視化對(duì)象平面或空間距離、角度數(shù)據(jù)的測(cè)量。

2 結(jié) 果

2.1 管道系統(tǒng)斷層解剖結(jié)構(gòu)

2.1.1 經(jīng)肝臟頂部層面 該層面左、右肺及心臟占據(jù)了斷面大部分面積,肝臟頂部在右肺中葉和右肺下葉之間出現(xiàn),斷面呈卵圓形,長(zhǎng)軸呈向左約60°角傾斜,肝內(nèi)可見(jiàn)稀疏分布的細(xì)小管道截面。肝臟的表面覆以膈肌,其斷面呈“C”形環(huán)繞于肝臟頂部的外緣,“C”形開(kāi)口向左,開(kāi)口處為位于肝臟頂部左側(cè)的肝后段下腔靜脈,管腔大小為24.6 mm×17.0 mm,距離肝左緣8.1 mm;肝后段下腔靜脈位于肝臟與心臟之間偏后,左前方緊貼心包右壁,左后方依次為食管和胸段主動(dòng)脈,見(jiàn)封2圖1。

2.1.2 經(jīng)肝中靜脈屬支匯合層面 該層面,如以下腔靜脈斷面中央為基準(zhǔn),3個(gè)肝靜脈支形成“W”型分布,若以下腔靜脈中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,在該坐標(biāo)系內(nèi),肝左、中、右靜脈的斷面位置位于與X坐標(biāo)軸夾角約為45°、120°、195°的連線上,之間的夾角大致為60°～90°,門(mén)靜脈左支和右支走行于肝靜脈之間,與其互相穿插;若通過(guò)肝左靜脈、肝中靜脈和肝右靜脈斷面中心與下腔靜脈斷面中心之間進(jìn)行連線,其連線分別大致代表左葉間裂、正中裂和右葉間裂;肝右靜脈距離肝后段下腔靜脈即肝靜脈注入端為26.8 mm,此點(diǎn)向前距門(mén)靜脈右干17.2 mm,向下距門(mén)靜脈右干約27.3 mm,見(jiàn)封2圖2。

2.2 肝內(nèi)靜脈管道系統(tǒng)可視化顯示 肝靜脈于肝臟后部第二肝門(mén)處出肝,其屬支所形成的夾角尖端指向第二肝門(mén)方向。在距離肝臟上緣42 mm的第二肝門(mén)處,可見(jiàn)肝左靜脈、肝中靜脈、和肝右靜脈匯聚于肝靜脈溝的上分,分別注入肝后段下腔靜脈前壁;肝左靜脈主干呈凸向左上方的弓形向右上方走行,在左葉間裂處接受肝左葉內(nèi)側(cè)葉上靜脈的注入,并匯合肝左后緣靜脈和左葉間靜脈匯入肝后段下腔靜脈;肝中靜脈主干由左根和右根在門(mén)靜脈分叉點(diǎn)稍上方匯合形成后,在主裂下半分內(nèi)上行,接受肝中靜脈右上支的注入,最后與肝左靜脈合干,共同開(kāi)口于肝后段下腔靜脈的左前壁;肝右靜脈主干由肝右后上靜脈和肝右后下靜脈匯合而成,位于肝右葉間裂內(nèi),主干向左上方走行,出肝后注入下腔靜脈肝后段的右前外側(cè)壁,注入處較肝左靜脈匯合中靜脈共干注入位置稍低,見(jiàn)封2圖3。

建立三維可視化坐標(biāo)系,可以對(duì)重構(gòu)對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格分割,從而獲得管道系統(tǒng)的網(wǎng)格數(shù),表面積和體積數(shù)值,完全可以實(shí)現(xiàn)肝內(nèi)靜脈手術(shù)的準(zhǔn)確定位,選擇合適的路徑,減少手術(shù)帶來(lái)的并發(fā)癥。利用軟件功能對(duì)肝內(nèi)門(mén)體靜脈的手術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行入路模擬,建立手術(shù)路徑,測(cè)量進(jìn)入角度和深度等結(jié)果,為下一步的研究提供了立體形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。

坐標(biāo)系由原始圖像(分辨率為3 072×2 048像素)以裁剪為2 800×1 400像素的連續(xù)圖像數(shù)據(jù)集構(gòu)成,每個(gè)體素元大小為0.167 mm×0.167 mm×1.0 mm。創(chuàng)建正向坐標(biāo)軸系,X、Y、Z軸的交點(diǎn)為正向軸系原點(diǎn),坐標(biāo)軸單位為 mm,以刻度形式顯示可視化模型的具體結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)系位置。以坐標(biāo)軸為定量標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)網(wǎng)格計(jì)數(shù)方法計(jì)算出該段腔靜脈表面積為32 220 mm2,體積為88 361 mm3,該段門(mén)靜脈表面積為14 839 mm2,體積為22 583 mm3。以肝靜脈與腔靜脈交匯處為起點(diǎn),向肝右靜脈方向距離起點(diǎn)20 mm,此處視野清晰,活動(dòng)度較大,在可視化仿真平臺(tái)上具有重要意義,見(jiàn)封2圖4。

3 討 論

3.1 肝臟靜脈管道的斷面解剖學(xué)意義 肝臟手術(shù)中的大出血曾經(jīng)一度是困擾肝臟外科專家的一大難題,要徹底做到在手術(shù)中避免血管的判斷錯(cuò)誤,就必須在解剖位置上對(duì)靜脈管道有深刻認(rèn)識(shí)。本實(shí)驗(yàn)在斷面解剖圖像的基礎(chǔ)上通過(guò)三維定位技術(shù)能準(zhǔn)確測(cè)量出靜脈管道的解剖數(shù)據(jù),以坐標(biāo)為標(biāo)定工具,形象地表示了肝靜脈的具體走形,這對(duì)于血管的分離處理可以起到關(guān)鍵性的作用。同時(shí)可以在斷層圖像上用血管定位葉間裂,加強(qiáng)對(duì)肝臟各分段的區(qū)別。結(jié)果顯示經(jīng)肝臟頂部的肝后端的下腔靜脈到肝左緣間隙狹窄,同時(shí)左前緊貼心包右壁,此段若采用穿刺注意勿傷到心包。

肝臟移植等手術(shù)中由于存在管道的復(fù)雜性和變異性,增加了臨床治愈的風(fēng)險(xiǎn)。為此利用三維重建技術(shù)提取斷層解剖數(shù)據(jù),進(jìn)而在可視化平臺(tái)上進(jìn)行肝臟表面投影距離的測(cè)算,同時(shí)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理,比較術(shù)前各設(shè)計(jì)方案可行性的差異,模擬前要綜合結(jié)構(gòu)變化情況,特別是管道屬支的分布、走形,運(yùn)算起來(lái)有其相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性,但可以彌補(bǔ)CT的顯示組織密度差的局限性和M RI的空間分辨率不足的問(wèn)題,這是將來(lái)影像技術(shù)發(fā)展的重要方向。

3.2 可視化肝臟管道模型建立對(duì)于應(yīng)用解剖的意義 人體計(jì)算機(jī)虛擬可視化研究在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用可滿足三維臨床醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的可視化需求[4]。肝臟為人體重要的消化器官,肝后脈管位置深,周?chē)休^多的重要器官和血管,外科手術(shù)很容易損傷肝內(nèi)血管。肝臟管道的解剖學(xué)習(xí)大多是通過(guò)觀摩解剖圖譜、解剖實(shí)習(xí)課以及手術(shù)中臨床實(shí)際觀察進(jìn)行學(xué)習(xí)。對(duì)于素描解剖圖譜,資料來(lái)源大多根據(jù)繪制者的經(jīng)驗(yàn)而非真實(shí)個(gè)體,不能夠全面了解真實(shí)活體中肝內(nèi)管道解剖結(jié)構(gòu)和周?chē)応P(guān)系,另外解剖圖譜仍屬二維,難以理解Glisson氏系統(tǒng)的復(fù)雜性。

肝內(nèi)管道在人體內(nèi)的走形不易理解,特別是肝門(mén)處的管道分支,外科醫(yī)生在一般的肝臟手術(shù)中難以探查到。這主要取決于二維影像資料不能全面反映管道的定位情況及變異情況,傳統(tǒng)解剖資料不能準(zhǔn)確描述Glisson氏系統(tǒng)與臟器的相對(duì)位置關(guān)系,所以在解剖及應(yīng)用中極易發(fā)生肝內(nèi)血管損傷,在手術(shù)中若損傷則易發(fā)生大出血危及患者生命。而三維重建和可視化的資料則能從空間上彌補(bǔ)傳統(tǒng)資料的不足,多方位的學(xué)習(xí)和虛擬解剖操作能加深對(duì)肝內(nèi)管道解剖位置的掌握和理解,能對(duì)今后的臨床操作起到關(guān)鍵性的幫助。

3.3 三維可視化對(duì)于臨床診斷的意義 肝臟靜脈管道系統(tǒng)是一個(gè)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜且相互聯(lián)系緊密的多層次結(jié)構(gòu)整體,現(xiàn)有的肝臟解剖學(xué)資料是將人體標(biāo)本剖切開(kāi)以后進(jìn)行觀察和測(cè)量而獲得的,最大的缺陷在于缺乏對(duì)器官或結(jié)構(gòu)在空間位置的準(zhǔn)確定位、三維數(shù)據(jù)測(cè)量和立體形態(tài)的多方位顯示,這對(duì)于臨床應(yīng)用和手術(shù)開(kāi)展都缺少精確的數(shù)據(jù)支持。近幾年有通過(guò)影像資料對(duì)肝臟進(jìn)行三維重建的研究[5-7],但由于沒(méi)有具體的圖像分割方法,缺少理論性依據(jù)。而三維可視化技術(shù)與傳統(tǒng)的CT、MRI技術(shù)相比較,除了能清晰顯示結(jié)構(gòu)關(guān)系,更能從定量角度對(duì)管道系統(tǒng)的病理結(jié)構(gòu)變化給出直觀判斷,不但可以使診斷簡(jiǎn)化,而且在臨床診斷信息錄入中可以建立數(shù)字化平臺(tái),減少誤診帶來(lái)的醫(yī)療事故。盡管CT、MRI技術(shù)已日趨成熟,但醫(yī)生也僅僅在二維的平面上做出對(duì)肝臟管道系統(tǒng)的局部判斷,存在一定的誤診率。可視化平臺(tái)能讓醫(yī)療工作者在虛擬的診斷系統(tǒng)內(nèi)完整清楚地觀察到靜脈系統(tǒng)的走形和毗鄰結(jié)構(gòu),更真實(shí)具體感受病變的結(jié)構(gòu)。因此利用可視化軟件實(shí)現(xiàn)其解剖結(jié)構(gòu)的三維可視化,可以此為虛擬肝臟管道系統(tǒng)模型的建立探索一種精確的重建方法和顯示手段。

3.4 三維可視化對(duì)于仿真手術(shù)的意義 三維可視化的重建模型有助于了解管道空間結(jié)構(gòu)總體觀,可以對(duì)仿真手術(shù)的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行合理選擇。在仿真環(huán)境中,應(yīng)用虛擬手術(shù)器械可以充分模擬真實(shí)的手術(shù)過(guò)程,而對(duì)結(jié)構(gòu)可視化的程度要求較高,只有可視化的提前演示才能在虛擬環(huán)境中成功進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃。方馳華等[8]在力反饋設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬數(shù)字化肝臟切割仿真手術(shù)的研究,使個(gè)體化肝臟仿真手術(shù)及術(shù)前預(yù)設(shè)成為可能,下一步在肝內(nèi)管道上的虛擬手術(shù)也可以在三維可視的平臺(tái)上得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)也未能進(jìn)一步反映肝內(nèi)管道的血流動(dòng)力學(xué)和形態(tài)生物過(guò)程,但三維可視化的研究可以使得仿真系統(tǒng)在臨床治療中更加實(shí)用。預(yù)先將肝內(nèi)管道的三維重建模型導(dǎo)入虛擬切割軟件,建立虛擬手術(shù)切割系統(tǒng)的虛擬環(huán)境,模擬手術(shù)全過(guò)程。通過(guò)可視化仿真手術(shù)進(jìn)行術(shù)前的反復(fù)練習(xí),使手術(shù)組醫(yī)生熟悉術(shù)前該患者的解剖,熟練手術(shù)步驟,有利于手術(shù)過(guò)程中的配合,縮短手術(shù)時(shí)間,減少術(shù)中出血,防止手術(shù)過(guò)程損傷重要的組織器官,降低手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性,提高手術(shù)成功率,具有很好的實(shí)用價(jià)值。

運(yùn)用三維可視化手段顯示肝臟內(nèi)部管道系統(tǒng),還可以為微創(chuàng)外科手術(shù)提供更多方案[9],特別是血管介入治療和腹腔鏡技術(shù)。在血管介入治療中,通過(guò)對(duì)管道的可視化顯示,精確定位術(shù)中穿刺點(diǎn),避免造成位置不清,出現(xiàn)成角現(xiàn)象[10]。而腹腔鏡手術(shù)中通過(guò)對(duì)管道的三維重建,提供了管道入路數(shù)據(jù),可以獲得最便捷、最準(zhǔn)確的進(jìn)入方式。相比傳統(tǒng)手術(shù),提高了手術(shù)操作的成功率。虛擬現(xiàn)場(chǎng)(virtual reality)與實(shí)時(shí)成像(realtime imaging)可能主導(dǎo)21世紀(jì)的肝臟外科[11]。因此,包含豐富信息的數(shù)字化可視人體肝臟靜脈管道的數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)具有重要的研究意義。將數(shù)字化可視人體的三維模型與臨床專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)與需求相結(jié)合,開(kāi)發(fā)出具有行業(yè)特色的可視化平臺(tái),將是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

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