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| 肝脏管道灌注后数字化虚拟肝脏及其手术 | |||||
作者：佚名 论文来源：本站原创 点击数： 更新时间：2008-9-30  |
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【关键词】 图像处理 Digitized virtual liver and hepatic surgery after filling hepatic duct systems 【Abstract】 AIM: To study the digitized virtual liver and hepatic surgery after filling hepatic duct systems. METHODS: Four kinds of intrahepatic ducts were perfused with different filling material ex vivo respectively. And then the samples were used to be frozen, embedded and sliced to obtain serial sectional images. The whole series of hepatic images was employed to reconstruct a 3 dimensional (3D) liver. After the image registration of the tissue sections, the image information of liver parenchyma, hepatic veins, bile duct and cholecyst was obtained by image segmentation, followed by the 3D reconstruction using Visualization ToolKit (VTK) to construct a 3D morphological model of the liver surface and intrahepatic structures. The virtual liver could also be resected at any angle to observe the structure of the resection surface. Furthermore, a Windows PCbased 3D visualized demonstration system and Windows operation system of liver were developed. RESULTS: Total 910 consecutive sectional images of liver were taken. Hepatic arteries, inferior cava veins/hepatic veins, portal veins and biliary ducts were shown with red, blue, green, and yellow colors, respectively. This demostration system of liver provided a graphic user interface to rotate and scale the 3D liver to observe 3D morphological features of the liver and its duct systems by setting the pellucidit and color. A virtual liver simulation system for resection with primary function was established. CONCLUSION: The technique of perfusion of hepatic ducts may be beneficial to identification of intrahepatic structure. And research on digitized virtual liver and virtual hepatic surgery may be beneficial to the development of the hepatic anatomy and surgery. 【Keywords】 liver; image processing, computerassisted; threedimensional reconstruction; virtual surgery 【摘要】 目的： 肝脏管道灌注后进行数字化虚拟肝脏及其手术的研究. 方法： 用四种颜色的灌注材料对肝脏的四种管道分别进行灌注和固定，然后进行包埋、冰冻和铣切，获取连续肝脏断面图像数据集. 再将数据集的图像经配准和分割后在VTK的基础上，使用面绘制和体绘制相结合的方法，进行三维重建和虚拟切割实验. 结果： 获取肝脏连续肝脏断面图像910张，且四种管道颜色不同. 三维重建肝脏模型形态逼真，能随意旋转、放大和缩小，通过设定肝脏及其各管道结构的透明度和颜色能单独或组合显示各结构. 并且在模型上能行虚拟肝脏切割实验. 结论： 不同颜色灌注材料对肝脏管道灌注后铣切获取连续断面数据集有益于肝实质及其内部各管道的识别. 以此进行三维重建和虚拟手术的研究，有益于肝脏解剖学和肝脏外科的研究. 【关键词】 肝；图像处理，计算机辅助；三维重建；虚拟手术 0引言 现代肝脏外科的发展，与肝脏临床解剖学的发展以及现代科学技术手段在医学上的应用密不可分的. 为了研究数字化肝脏，我们曾对虚拟中国人女性一号（VCHF1）［1］数据集中的肝脏数据进行了分析［2］和三维重建的系统研究［3-4］和建立离体肝脏标本灌注模型［5］后螺旋CT扫描所获得的图像数据进行三维重建的研究［6］，但以上两种断面图像数据不能充分反映肝脏所有的管道信息. 为更进一步研究，我们将建立离体肝脏标本灌注模型［5-6］行冰冻铣切获取肝脏连续断面图像数据集，并对数据集进行了三维重建和虚拟切割的研究. 1材料和方法 1.1肝脏标本的灌注和断面数据集的采集将建立的四种颜色灌注材料对四种管道分别进行灌注的离体肝脏灌注模型［5-6］，CT扫描无异常的一个标本用蓝色凝胶包埋，并在肝脏附近放置棕红色的8个标志物作为以后所获取的图像配准点（图1A）. 置-25 ℃冷库中冷冻3 wk后，在-27℃低温实验室采用JX1500A垂直的碾磨机［1］，磨盘直径40 mm，转速850 r/min连续等间距0.2 mm削切. 使用第三代富士数码相机摄像采集断面图像. 1.2肝脏三维重建将所获得的断面图像数据在PC机（CPU 奔腾4 2.8 GHz、内存1.0 G）上进行. 为便于后续处理，首先将所有图像JPEG格式转换为BMP 格式. 1.2.1肝脏图像配准利用包埋时预先埋在肝脏附近的标志物（图1A）作为配准点，依据肝脏与这些标志物相对位置不变的特征，采用外部点力和力矩法相结合进行图像配准对图像进行配准. 具体方法是：① 原图像中，背景是蓝色的，配准点则为暗红色，且分布在图像的四周，首先依据配准点的颜色和位置特征，识别出配准点.③ 每张图像和标准图像进行对比，对每张图像进行平移和缩放，使两幅图像的所有配准点都相互吻合. ③ 从原图像中切取出包含肝脏的区域（图1B,C,D）. A： 肝门层面的原始图像（No.498）（箭头指向配准点）；B： 肝门层面的配准后图像（No.498），清晰可见门静脉、肝动脉、肝管等结构；C： 肝右静脉层面配准后图像（No.298），清晰可见肝右静脉、下腔静脉、尾状叶等结构；D： 肝左静脉层面配准后图像（No.247），清晰可见肝左静脉、下腔静脉、尾状叶等结构. 图1肝脏灌注后铣切断面图像（略） 1.2.2肝脏图像分割分割就是将图像中感兴趣的信息分别提取出来. 本研究分割主要针对肝静脉和门静脉，具体方法是： ① 高斯拉普拉斯算子在图中提取出所有的轮廓线，其中既有肝脏的轮廓，也有管道的轮廓. ② 轮廓线进行膨胀和细化操作使轮廓线上的断点愈合. ③ 对各条轮廓线所包含的组织类型进行判断： 如果颜色偏红，则全涂成红色，标注为门静脉；如果颜色偏蓝，则全涂成蓝色，标注为肝静脉；否则涂成棕色，标注为肝实质. 1.2.3肝脏的三维重建采用的方法是在VTK［7］开发工具包的基础上，对图像序列进行表面三维重建，恢复物体的三维形态结构. 具体方法是： ① 每幅图像上，对同一种类型的组织提取轮廓线. ② 在相邻两幅图像的轮廓线间，用三角形进行填充，形成一个带状的环. ③ 对所有图像序列中的相邻图像，进行步骤②的操作，即可重建出物体的三维表面形态. 采用表面描述法和体数据描述法相结合的方法对重建后的三维肝脏模型进行显示. 通过对各个结构表面赋予不同的颜色值和不同的透明度，显示各结构（图2）. 如对肝脏表面透明度设定为半透明即0.5，对其他组织表面透明度设定为1时，这样既能看到肝脏的外轮廓，又能看到肝脏内部管道结构（图2B）. A： 显示窗口及肝脏立体模型(前面观)；B： 三维重建的肝脏及其内部结构（前面观）（透明度：肝脏0.5；其他1）. C： 肝静脉和门静脉的关系（前面观）（透明度：肝静脉、门静脉1，其他0）；D： 肝静脉（上面观）（透明度：肝静脉1，其他0）. 图2三维重建肝脏及其内部结构形态模型（略） 1.2.4肝脏模型的虚拟手术切割采用表面数据与体数据相结合，用表面数据显示肝脏的外观，用体数据进行切割截面图像的计算，实现了一个具备基本功能的虚拟肝脏切割手术仿真系统. 其基本的操作流程为： ① 显示肝脏表面模型；② 设置调整虚拟切面位置；③ 进行截面图像计算；④ 绘制切割后肝脏截面图像. 2结果 2.1肝脏断面图像数据集肝脏灌注模型铣切后共采集图像910张，JPEG格式 1748×1812×24b， 3024×2016像素，共494 MB. 肝脏断面管道显示良好，下腔静脉和肝静脉系统呈黑色，门静脉系统显示呈橘黄色，伴随门静脉走行的肝动脉显示为红色，深绿色为肝管和胆囊（图1）. 2.2图像的配准和分割配准的图像在1500×1000的矩形区域，效果良好，且能完全显示肝脏的全貌（图1B, C, D）. 分割对肝脏实质、肝静脉和下腔静脉、门静脉、肝管和胆囊、肝动脉的表面轮廓分别进行了提取，获得相应的信息. 2.3图像的三维重建分别对肝脏、肝静脉和下腔静脉、门静脉、肝管和胆囊、肝动脉五部分进行了三维重建（图2）和建立了Windows显示功能窗口（图2 A）. 通过Windows显示窗口的相应功能键设定各个部分的透明度（0~1： 0表示完全透明不显示，1表示完全不透明显示）和颜色单独或组合显示各结构，同时通过鼠标的左键的移动旋转肝脏模型，通过鼠标的右键向窗口的上部或下部移动分别放大或缩小肝脏模型（图2）. 2.4虚拟肝脏手术切割在三维重建的肝脏立体模型上，设计了一虚拟切割面，通过调整虚拟切面位置，观察虚拟切面与肝脏管道的位置关系，计算截面的图像，获得切割后的截面图像（图3）. A: 虚拟手术切面位置图像；B, C: 虚拟手术切面与肝脏内部管道的关系图像；D: 虚拟手术后肝脏图像. 图3虚拟手术演示图像（略） 3讨论 3.1肝脏断面图像获取现状及对策肝脏管道结构复杂，主要有四种不同类型的管道系统（肝动脉、门静脉系统、肝静脉、胆管），而门静脉系和胆管系统是两个相对独立的系统，因此现在国内外在研究整体数字化虚拟人体数据集［1，8-11］采集和现代影像技术（CT, 螺旋CT, MRI, PET等）中尚未能同时获得肝脏所有管道结构的信息. 我们采用管道灌注技术，使用不同颜色的油画颜料，分别对四种管道系统进行灌注，使得肝脏的各管道在断面图像上呈不同的颜色，而获得了明显地显示和区别. 3.2数字化虚拟肝脏 3.2.1肝脏断面图像的配准和分割图像配准是指消除图像获取时因拍摄位置的移动而带来图像缩放、旋转、平移等方面的误差，使两幅图像上所有的解剖点达到匹配［12］. 本课题在数据获取中，包埋标本时前瞻性的在肝脏附近预置了棕红色的8个标志物作为配准点. 在配准时根据肝脏组织切片图像的特点，切片断面厚度仅有0.2 mm，且腹部主轴方向与切面垂直，因此相邻两幅图像的质心应该差距很小. 用外部点法进行配准可以基本消除平移变换和旋转变换带来的偏差，结合力矩法，使得相邻图像的质心能够更加接近，从而进一步提高了配准的准确性. 图像分割是从图像上提取肝实质和肝脏内部管道的边界信息. 由于这些信息是三维重建和医学可视化的基础，而且人体解剖的个体差异较大，所以医学图像分割算法的研究仍是当前的一个热点. 切片图像分割的最大难点是目标物体与背景交界处难以区分，存在着一段渐变的边界，在目标物体的内部，颜色分布的不均匀使得确定一个对图像序列通用的阈值变得困难. 针对本课题图像数据的颜色特征，依据人视觉上边缘增强的原理，改进了一种基于灰度图像的迭代求图像最佳分割阈值的算法，并提出了一种基于微分算子和数学形态学的边缘检测算法，获得了较好的效果. 3.2.2三维重建及手术仿真肝脏外科学的发展是与肝脏的临床解剖学研究的发展分不开的，但现在还有许多难题阻碍了肝脏外科学的更进一步发展. 一是肝脏临床解剖学如何更进一步发展和规范引导肝脏外科学的发展和规范，如肝尾状叶肿瘤的手术，由于其所处的解剖学位置复杂，而且变异较多，直至20 世纪90 年代,才开始在肝脏外科中受到重视和得到发展，被认为是肝外科的最后领域［13-14］. 到现在尾状叶的右侧界限没有统一的看法，手术治疗的路径和切除方法都未能规范，其中一个最主要原因就是肝尾状叶的临床解剖学未能完善. 二是肝脏手术几乎都是大手术，尤其是位置和肝脏主要管道关系密切的肿瘤，更是极个别大医院里“老专家”所能开展的“专利”手术，难以普及和推广. 数字化虚拟肝脏及其手术的研究成功可能是解决上面两个难题的工具之一. 我们将肝脏断面图像数据，在配准、分割的基础上，使用VTK对肝脏及其各结构（肝静脉和下腔静脉、肝动脉、门静脉、胆管和胆囊）分别建立了表面立体形态模型. 通过设定它们各自的颜色和透明度以及对模型放大、缩小和旋转，可以准确地、全面地观察和研究肝脏及其各结构的形态、相邻关系等. 现在虚拟手术的研究主要集中在神经外科和骨科方面的研究，尤其是术中导航，将虚拟现实和增强现实相结合，甚至结合手术机器人在临床成功应用的案例不少［15-17］，但结合肝脏临床报道少，仅限于肝脏手术的术前研究或评价. Marescaux等［18］应用VHP的男性数据集的肝脏部分数据，使用有限原的方法重建肝脏和模拟肝脏的手术切面进行了研究，认为肝脏的三维重建有助于肝脏解剖结构的认识，有可能实现肝脏的术前规划、训练和教学. Wigmore等［19］利用螺旋CT动脉造影（CTAP）的肝脏图像三维重建，能清晰地显示肝静脉和门静脉，回顾性地研究了27例肝脏手术患者，将肿瘤体积、总肝体积和功能肝体积与体质量比较，发现功能肝体积与体质量关系密切，并能很好地预测手术后肝功能衰竭的危险性发生的可能性. 本研究虚拟肝脏模型的切割是为模拟临床肝脏外科手术所设计的，其方法仅仅是一个初步的探索，真正做到模拟肝脏外科的各种手术方式，尤其是应用于临床还有许多关键技术待解决. 一是肝脏图像结构识别，也就是图像分割. 由于肝脏的各种管道结构、肝脏肿瘤与肝实质之间界限往往不明显，即使造影，也只能使个别结构突出，其图像也不能明显显示所有四种肝脏管道以及肿瘤和肝脏内部结构的比邻关系，导致不能编制软件完全自动分割，往往需要人工干预，甚至人工干预效果仍然不理想. 二是如何将具体的数据和虚拟的“标准肝脏”模型应用图像融合技术，变形后融合在一起，做到具体患者肝脏肿瘤手术前规划，手术前针对性训练，更进一步完善手术方案，增加实际手术的成功率，降低手术的并发症. 三是肝脏在人体内是一个活动度较大的器官，如何将虚拟现实和增强现实相结合，也就是将患者的实际CT扫描数据建立的“虚拟肝脏”、患者与腹腔镜手术或手术机器人手术中的手术器械精确联系起来进行手术导航，引导手术进行，减少手术损伤，提高手术成功率，降低手术并发症等. 【参考文献】 ［1］钟世镇, 原林, 唐雷,等. 数字化虚拟中国人女性一号(VCHF1)实验数据集研究报告［J］.第一军医大学学报,2003,23(3):196-200. ［2］周五一, 方驰华, 钟世镇. 虚拟中国人女性一号肝脏数据集肝脏断面图像研究［J］. 第四军医大学学报, 2005, 26(8):711-713. ［3］方驰华,钟世镇,原林,等. 数字化虚拟肝脏图像三维重建的初步研究［J］. 中华外科杂志,2004,42(2):94-96. ［4］方驰华,周五一,黄立伟,等. 虚拟中国人女性一号肝脏图像三维重建和虚拟手术的切割［J］. 中华外科杂志,2005,43(11):748-752. ［5］方驰华,钟世镇,吴坤成,等. 适用于CT薄层扫描和三维重建肝脏管道系统的灌注和铸型的建模研究［J］. 第四军医大学学报,2003,24(22):2076-2080. ［6］方驰华,周五一,虞春堂,等. 肝脏管道系统灌注后薄层CT扫描和三维重建的研究［J］. 中华外科杂志,2004,42(9):562-565. ［7］William JS, Kenneth MM , Lisa SA , et al. 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Mikrochir Plast Chir, 2003,35(5):333-337. ［18］Marescaux J, Clement JM, Tassetti V, et al. virtual reality applied to hepatic surgery simulation: the next revolution［J］. Ann Surg, 1998,228(5):627-634. ［19］Wigmore SJ, Redhead DN, Yan XJ, et al. virtual hepatic resection using threedimensional reconstruction of helical computed tomography angioportograms［J］. Ann Surg, 2001,233(2): 221-226 |
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