3D可視化聯合3D打印在肝癌大部分肝切除術中的應用

洪峰華，黃大海，葉彬，邱玉芬，梁志銀，方兆山

1.廣西壯族自治區江濱醫院放射科，廣西南寧530021；2.廣西壯族自治區婦幼保健院，廣西南寧530000；3.廣西醫科大學第五附屬醫院肝膽胰腺外科，廣西南寧530022

前言

隨著數字智能化技術［1］的不斷普及、接受及應用，以及“精準肝外科”理念［2］的不斷深入人心，肝癌肝切除術，特別是大部分肝切除術的術前評估、手術規劃，更加客觀、量化分析，準確地評估殘肝體積比，對大部分肝切除術的可行性和減少手術并發癥具有重要意義。因為肝切除術后殘余肝體積不足導致術后肝功能衰竭仍是肝臟手術后的主要死亡病因［3］。因此準確地評估肝臟體積，特別是殘肝體積比具有非常重要的臨床意義。殘肝體積與其儲備功能有著密切的關系。國外已將其視為與Child Pugh 分級同等重要的肝臟儲備功能評價指標［4］。然而，由于不同個體身高、體質量存在差異，相同的殘肝體積在不同個體表現出的肝功儲備情況亦有所不同。以體表面積標準化的殘肝體積可縮小個體差異，使個體間的比較成為可能且較為科學。殘肝體積作為評估肝臟儲備功能的重要指標之一，在評估患者肝臟手術承受能力、指導選擇合適手術方式方面具有重要的臨床意義［5］。本研究旨在探討3D 系統軟件、CT 軟件在肝癌行大部分切除術評估相關肝體積準確性，以及3D 可視化技術、3D 打印在肝癌大部分肝切除術圍手術期的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取廣西醫科大學第五附屬醫院2017年2月～2020年1月收治的原發性肝癌患者46例，并隨機分為觀察組和對照組，每組23例。觀察組（3D 組）患者采用3D 可視化技術和3D 物理打印模型進行圍手術期的評估和指導大部分肝切除術，主要基于肝體積分析和3D打印評估等，并給出相應的具體手術方案；對照組（CT 組）患者采用傳統CT 資料對術前進行相關肝體積評估后進行手術規劃。納入標準：（1）符合原發性肝癌診斷標準［6］并且有肝切除術手術意愿；（2）術前肝功能Child‐Pugh分級為A 級；（3）一般情況好，且經評估，可擬行大部分肝切除術［7］的患者。排除標準：（1）非大部分肝切除術患者；（2）嚴重心肺等功能不全；（3）難以根治性切除；（4）肝功能Child‐Pugh C 級，難以耐受手術者；（5）術后病理結果不是肝細胞肝癌。入院及術前充分告知病情，簽署由醫院倫理委員會批準的知情同意書和手術知情同意書。兩組患者術前一般資料（年齡、性別、合并癥、乙肝背景、標準肝體積等）比較，差異無統計學意義（P＞0.05,表1）。

表1 兩組患者術前一般資料比較Tab.1 Comparison of preoperative information in two groups

1.2 肝體積的測量方法和體積測量研究方法

所有患者術前、術后5～7 d 內均進行上腹部增強CT 掃描，根據相應組別進行3D 系統軟件、CT 系統方法測算相關肝體積。采用以下相關概念：（1）體表面積測定根據參考文獻［8］：體表面積（m2）=0.006 1×身高（cm）+0.012 8×體質量（kg）‐0.152 9。（2）標準肝體積（Standard Liver Ⅴolume, SLⅤ）計算方法［9］：SLⅤ=706.2×BSA+2.4；（3）殘肝體積=全肝體積（正常肝體積和腫瘤肝體積）‐切除的肝體積；（4）虛擬（術前）殘肝體積=全肝體積‐虛擬切除的肝體積；（5）實際（術后）殘肝體積=術后實際殘肝體積（基于術后CT）；（6）標準殘肝體積比=殘肝體積/標準肝體積。

1.2.1 基于影像科CT 系統的肝體積測量方法采用64 層螺旋CT（GE，美國）測量肝臟體積。通過CT 系統獲取平掃期、動脈期、門脈期CT DICOM 數據。手術主刀醫生確定手術方案，影像科醫生按照該方案進行基于CT 工作站系統計算相關肝體積。將器官（肝臟）原始數據切為多片（40～60 片），采用手工測量、半自動測量方法使用軌跡球人工勾勒出每一層面肝臟邊緣，由計算機計算出每層面積，每層面積乘以層厚即為切片體積，將每一層的體積相加即為肝臟體積。

1.2.2 3D 軟件測量體積采用3D 軟件系統［10］：將獲取CT 薄層（0.625～1.000 mm）（圖1）數據（DICOM 格式）導入到3D 重建系統軟件進行肝臟3D 重建［11］，構建肝腫瘤和肝臟血管系統的3D圖像模型。根據主刀醫生確定手術切除范圍，測量全肝體積、虛擬切除肝體積、殘肝體積等，3D 系統定量分析手術的可行性，制定具體手術策略。3D 打印：將3D 重建感興趣的STL 格式文件［12］導入Repetier‐host 1.06 軟件按正常大小將肝臟、腫瘤和血管系統切片后保存，鏈接CoLiDo 3D 打印機使用聚乳酸材料，打印出3D 物理模型。在3D 系統軟件及3D 打印模型上進行虛擬手術，分析確定手術方案［13‐14］。

圖1 肝癌門脈CT圖像Fig.1 Portal venous phase CT image

1.2.3 實際手術規劃及方法采用氣管插管全麻，右上腹部倒“L”形切口進行開腹手術，同一組醫師完成手術，兩組術中結合術中超聲排除微小病灶轉移、明確肝靜脈等脈管走行最終確定切除范圍。3D組則再結合術中3D 圖像、3D 打印物理模型指導實時手術。CT組則結合傳統CT影像圖片指導手術。

1.2.4 實際切除肝體積的測量采用量杯（排水法）測量體積［11,15］：術中切除的肝臟組織包括腫瘤和腫瘤周圍的肝臟組織，采用排水法測量體積，排水法測量肝體積是將離體肝臟標本組織放入含水容器中，將肝臟放入容器后溢出（或升高）的水的體積則為肝臟體積，是目前公認的體積測量的“金標準”。

1.3 觀察指標

（1）手術時間、術中出血量、虛擬肝切除體積、實際切除肝體積、殘肝體積、標準殘肝體積比、術后并發癥。（2）肝功能衰竭采用“50‐50”標準［16］。（3）患者滿意度：采用自制量表評估，總分100分，即非常滿意90～100分，滿意80～89分，一般60～79分，不滿意＜60分。

1.4 統計學分析

采用SPSS19.0軟件進行統計學分析，計量資料用均數±標準差表示，分類資料用率（%）表示。兩組計量資料比較采用獨立t檢驗，兩組分類資料采用卡方檢驗或Fisher's檢驗，組間比較采用配對t檢驗，相關性分析采用Pearson相關檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 3D重建及3D打印情況分析

3D 組均獲得滿意的3D 圖像模型、3D 打印物理模型。3D 組通過3D 系統軟件構建3D 圖像模型（圖2），觀察肝脈管與肝腫瘤空間關系，熟悉肝臟脈管、走行及變異、與腫瘤毗鄰關系；3D系統虛擬切除分析肝體積（圖3）；1:1 比例打印肝臟3D 物理模型（圖4），通過分析3D 物理模型，評估腫瘤的可切除性和需要注意的解剖重點，指導實時肝切除術。

圖2 肝臟3D可視化圖像Fig.2 Three-dimensional visualization image of the liver

圖3 虛擬肝切除Fig.3 Virtual liver resection

圖4 3D打印物理模型Fig.4 A physical 3D printed model

2.2 兩組相關肝體積測量及分析結果

（1）3D組虛擬切除肝臟體積為（993.2±212.0）mL，實際切除肝臟體積為（980.9±204.1）mL，兩者比較差異無統計學意義（P＞0.05），相關性分析顯示呈正相關性（r=0.990,P＜0.001）。CT 組虛擬切除肝體積為（1 070.6±235.8）mL，實際切除肝體積為（1 042.3±218.9）mL，兩者比較差異無統計學意義（P＞0.05），相關性分析顯示呈正相關性（r=0.943,P＜0.001）。（2）殘肝體積：3D組虛擬（術前）殘肝體積為（689.2±82.1）mL，實際（術后）殘肝體積為（697.8±88.2）mL，兩者比較差異無統計學意義（t=‐1.942,P=0.065），相關性分析顯示兩者呈正相關性（r=0.972,P＜0.001）。CT 組虛擬殘肝體積為（624.5±58.5）mL，實際殘肝體積為（639.9±59.9）mL，兩者比較差異有統計學意義（t=‐2.255,P=0.034），相關性分析顯示兩者呈正相關性（r=0.902,P＜0.001）。（3）標準殘肝體積比：3D 組虛擬（術前）標準殘肝體積比為（46.8±7.4）%，實際標準殘肝體積比為（47.4±7.6）%，兩者比較差異無統計學意義（t=‐1.825,P=0.082），相關性分析顯示兩者呈正相關性（r=0.972,P＜0.001）。CT組術前標準殘肝體積比為（41.2±4.7）%，實際標準殘肝體積比為（42.0±4.5）%，兩者比較差異有統計學意義（t=‐2.174,P=0.041），相關性分析顯示呈正相關性（r=0.931,P＜0.001）。

2.3 兩組圍手術期結果比較

如表2所示，兩組手術時間比較差異無統計學意義（P＞0.05）；3D 組術中出血量少于CT 組（P＜0.05）。3D 組和CT 組輸血率分別為26.1%（6/23）和39.1%（9/23），術后并發癥發生率分別為21.7%（5/23）和34.8%（8/23），兩組比較均無統計學差異（P＞0.05）。經穿刺引流或加強非手術治療治愈，兩組患者均無圍手術期死亡。3D 組患者滿意度優于CT 組（P＜0.05）。

表2 術中和術后結果Tab.2 Intra operative indicators and postoperative outcomes

2.4 案例分析

易某，男，45 歲，因“體檢發現肝占位3 d”住院，既往有“乙肝小三陽”20 余年病史。上腹部增強CT（腫瘤位于S4、S8段）和實驗室檢查等，診斷為：（1）中央型肝癌；（2）慢性乙型肝炎病毒感染。3D可視化和3D打印分析結果為：3D軟件計算全肝體積1 086.2 mL，體表面積1.78 m2，標準肝體積1 257.8 mL，進行虛擬肝切除術，擬標準的左、右半肝切除術，則腫瘤殘留；擬左三肝切除術，殘肝體積471.7 mL，則標準殘肝體積比為37.5%，術后有肝功能衰竭風險；擬擴大左半肝切除術，殘肝體積673.9 mL，則標準殘肝體積比53.5%；擬行中央型肝癌切除（S4+S5+S8段肝切除術），殘肝體積649.7 mL，則標準殘肝體積比51.6%，手術亦可行。中央型肝切除術，進行2個肝切除斷面即手術難度明顯增大，結合3D 打印物理模型等綜合評估后，決定行擴大左半肝切除術+膽囊切除術，實際切除肝體積為465.0 mL。

3 討論

3.1 大部分肝切除術中肝體積測量分析的重要性

肝體積的精確評估與肝功能Child Pugh 分級作為肝功能評價指標具有同等意義［17‐18］。殘肝體積的評估是目前肝癌切除術前通行并且可行、可靠的辦法。進行肝臟切除術時，術前準確評估殘肝體積至關重要，高估了殘肝體積可能導致術后致命性的肝功能衰竭，而低估了可能錯失一個潛在的治愈性肝切除術機會。有研究顯示標準殘肝體積是評估肝切除術患者肝臟儲備功能的有效且簡便的方法, 對預測患者術后發生肝功能損害的程度及避免患者術后發生肝功能衰竭有重要的臨床指導作用［19］。肝臟體積可客觀反映肝臟大小和肝實質的容量，間接反應肝臟的代謝能力，肝臟體積越大，肝臟儲備功能就越好，對手術耐受也越強，已被視為與CTP 分級同等重要的肝功能儲備指標［20］。肝大部切除手術中，CT 術前測量術后殘肝體積，客觀且定量分析肝癌可切除性，以避免術后發生肝功能衰竭［21］。在肝切除術及肝移植術前使用CT 測量肝臟體積是目前比較常用的方法［22］。Cai 等［23］分析肝癌患者接受基于3D 軟件系統（MI‐3DⅤS）的肝切除術，指出3D 虛擬軟件具有使用簡單、方便，可以準確評估術后肝臟體積，提高肝切除術的安全性。為消除體表面積對肝臟體積測量的影響，有研究采用CT 實際測量值除以患者的體表面積，計算出每個肝癌患者的單位體表面積CT 肝體積，且該研究表明單位體表面積CT 肝體積測定能準確地預測肝癌肝切除術后患者肝功能衰竭和死亡發生率［24］。近年來3D 重建軟件，基于CT 數據進行3D 重建除了能準確提供肝臟殘肝體積測量［25‐26］，還能提供肝臟脈管結構與肝臟腫瘤的空間關系，對于術前手術規劃、術中手術操作都有重要輔助意義［27］。

本研究結果顯示無論3D 系統軟件還是CT 系統測量的相關肝體積，3D組和CT組的虛擬切除肝和實際切除肝體積，術前（虛擬保留）殘肝體積與術后實際殘肝體積、術前（虛擬保留）標準殘肝體積比和術后實際標準殘肝體積比等均提示呈正相關，即無論是基于CT 系統還是3D 系統軟件進行測量的標準殘肝體積比和各項肝體積值是可行、準確、可靠的，CT測量體積或3D系統測量體積評估肝體積可作為臨床大部肝切除術前重要的參考依據之一。與楊世忠等［28］研究結果相似。

本研究納入的患者，3D組和CT組術前擬切除平均肝臟體積比實際排水法測量得到的肝體積略大，與陸戰等［29］研究結果相似，考慮可能與切除下來的肝組織內血液流失致其體積縮小以及可能人為誤差有關，虛擬切除線與術中實際切除線不完全一致。標準肝體積是一項科學、可靠、理想的肝功儲備評估指標，特別適用于我國肝癌患病情況。醫療單位可根據醫院的具體技術條件，選擇采用CT 系統自帶的CT計算系統或通過3D系統軟件進行計算，結合相關公式計算體表面積［8］、標準殘肝體積［9］，從而計算出標準殘肝體積［30］、殘肝體積比，用于肝切除術的規劃，評估手術的可行性。

3.2 3D 圖像模型和3D 打印物理模型在大部分肝切除術中的臨床價值

術前精確評估、定量分析，術中完整切除腫瘤，達到安全切緣，保留更多肝實質體積，防止術后發生肝功能衰竭，使病人獲得快速康復［31］。本研究結果顯示采用3D 技術的研究組，術中出血量少于CT 組，差異有統計學意義；3D組的手術時間、圍手術期的輸血率、術后并發癥發生率均優于CT 組，盡管差異無統計學意義，考慮可能與納入的樣本量較小相關。研究顯示3D 圖像模型在肝切除術的價值：（1）3D 系統提供直觀的肝臟脈管3D 圖像模型，有助于熟悉肝臟的解剖和變異，以及進行3D 系統定量分析，3D 系統下進行虛擬肝切除術測算相關肝體積計算安全的肝切除量。目前認為，肝切除術后至少應保留的標準肝體積在40%～50%，如果存在肝硬化、門脈高壓癥，需要保留更多的標準肝體積。肝切除術后嚴重并發癥的發生率與殘肝體積密切相關［32］。通過虛擬肝切除術，準確評估手術風險，降低肝衰竭風險，確保手術的安全性。（2）3D 系統軟件的量化分析，有助于預判性地保護保留肝臟流入道（肝動脈、門靜脈）和流出道（肝靜脈、肝短靜脈）的完整性，減少副損傷。（3）3D技術輔助肝切除術讓主刀醫生團隊定量準確分析肝切除術相關指標，肝體積、脈管與腫瘤空間毗鄰關系，提高了手術安全性，同時能讓患者直觀了解手術方案及手術風險，促進醫患溝通，減少不必要的醫療糾紛［12］。通過3D 打印技術的術前精準預判、對肝靜脈和門靜脈的解剖識別，結合3D 打印物理模型的間接導航有助于找到“無血管區”，減少重要脈管的損傷，減少手術中出血量。肝癌患者圍手術期的輸血率，可能導致免疫抑制，影響患者預后。因此，控制圍手術期輸血率，有助于改善患者預后。Zein 等［33］應用肝臟3D 打印用于活體肝移植，有助于關鍵解剖部位的定位，減少手術時間、術后并發癥。方馳華等［15］將3D 打印技術應用于肝腫瘤外科診治中，認為3D 物理模型可實時引導重要脈管的分離和腫瘤病灶的切除，降低手術風險。劉文瑛等［13］研究顯示3D打印技術提高了復雜性肝癌精準肝切除的手術精準性和安全性。3D打印物理模型為肝大部分切除術實時手術提供更詳細的信息，可減少潛在的手術并發癥。3D 可視化圖像模型和3D 打印物理模型有助于圍手術期與患者的溝通，提高患者滿意度。

綜上所述，3D系統軟件和CT軟件在肝癌大部分肝切除術圍手術期規劃的肝體積評估是可行、準確的，均具有很好的臨床應用價值，有助于肝切除術的安全實施。3D 可視化聯合3D 物理打印模型在圍手術規劃可減少手術出血，提高患者滿意度，在臨床應用中具有潛在優勢。