基于Amira軟件的三維立體重建技術(shù)在精準肝切除術(shù)中的應用研究

季渝軍

(陸軍軍醫(yī)大學第一附屬醫(yī)院， 重慶 400000)

未經(jīng)切除的原發(fā)性和繼發(fā)性肝癌病人5年生存率約為3%。切緣陰性的手術(shù)切除可將5年生存率從20%增加到30%[1]。手術(shù)的關鍵在于能否去除足夠的組織以達到切緣陰性，同時保留足夠多的健康肝組織以減少切除后肝衰竭的風險。手術(shù)的基本點是找出與腫瘤和正常肝組織關系密切的血管支流[2,3]。當前的手術(shù)計劃主要依賴于外科醫(yī)生對2D計算機斷層掃描成像(CT/MR)的理解和思維空間重建能力，這增加了認知負荷，因為它依賴于CT/MR解釋、解剖學和外科知識以及醫(yī)生的經(jīng)驗和空間感[4,5]，會影響術(shù)前評估的準確性，增加術(shù)中風險。而肝切除術(shù)最大的風險是術(shù)中大量出血，這與嚴重的術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率和較差的總生存率相關[6]。因此一些新技術(shù)應運而生，其中基于Amira軟件的三維立體重建技術(shù)可以模擬出人體內(nèi)部各個器官的三維結(jié)構(gòu)，立體顯示肝臟及其周圍毗鄰器官，顯示病灶與其周圍組織，協(xié)助醫(yī)生分析病灶可切除性，擬定最佳手術(shù)入路及手術(shù)切除范圍，大大減少手術(shù)區(qū)域損傷，減少毗鄰器官的意外誤傷，提高了手術(shù)的精準性和安全性。此外，Amira是一款功能強大的軟件，可以直接導入標準的DICOM醫(yī)學圖像，并且可以全自動進行各種平面圖像處理、數(shù)據(jù)測算和三維模型設計。本實驗結(jié)合肝臟解剖、肝臟動脈期和延遲期CT呈像，進行反復對比，并采取圖像人工分離及軟件自動調(diào)整、修飾等方法，構(gòu)建出系統(tǒng)完整、個體匹配度極高的三維模型，其目的是確定術(shù)前肝臟及其周圍重要臟器和血管的3D重建能否協(xié)助術(shù)者選擇合適的肝切除方案并有效規(guī)避術(shù)中及術(shù)后并發(fā)癥。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本項回顧性研究納入連續(xù)111例于2014年1月～2018年12月之間入院確診肝癌并進行肝切除術(shù)的患者，納入標準：(1) 原發(fā)性肝癌患者；(2) 行開腹切除手術(shù)；(3) 術(shù)前行上腹部平掃+多期增強CT。排除標準：(1) 術(shù)前行新輔助治療患者；(2) 多發(fā)性肝癌患者；(3) 未在我院行術(shù)前CT患者；(4) 肝臟楔形切除患者；(5) 有其他肝臟疾病或腫瘤病史患者；(6) 因體質(zhì)、營養(yǎng)狀態(tài)、腫瘤分期等原因無法行手術(shù)治療患者；(7) 腔鏡手術(shù)患者。其中2015年8月前的59例患者僅行術(shù)前CT(對照組)，我院引入3D重建技術(shù)后的52例行同期肝臟及周圍血管三維重建(觀察組)。兩組患者一般臨床資料包括性別、年齡、Child-Pugh評分、吲哚氰綠15 min滯留率、AFP、腫瘤體積等一般病理資料如表1所示。

表1 兩組間臨床資料對比

1.2 影像檢查方法

1.2.1圖像導入

將患者術(shù)前上腹部平掃+多期增強CT圖像(層厚不超過1.50 mm)導入Amira軟件，檢查圖像順序，設置合適的窗寬、窗位。

1.2.2圖像剪切

為更好地凸顯觀察區(qū)，去除無用信息，精簡重建數(shù)據(jù)量，將原始圖片剪切為每張966×620像素。

1.2.3圖像分割

本研究采用的圖像分割方法為計算機自動閾值分割加人工手動圖像分割，先通過閾值分割法對靶器官進行初步分割，當自動識別不足或過多時需要手動進行適當?shù)姆指?。圖像分割具體包括肝臟、肝臟脈管系統(tǒng)、肝臟膽道系統(tǒng)及膽囊的圖像分割。

1.2.4肝臟表面重建

經(jīng)過人工修飾及計算機處理后便可獲得由立體體素顯示的三維模型。其中包括識別并提取出的肝實質(zhì)、腫瘤、肝動脈、門靜脈和肝靜脈的圖像信息，可以從各個方向清楚地觀察到腫瘤的位置和大小以及鄰近的脈管系統(tǒng)。根據(jù)三維重建圖像，設計手術(shù)切除目標區(qū)域(至少5 mm的無腫瘤邊緣)。但在某些情況下，由于鄰近的脈管系統(tǒng)、腸或膽囊，不可能達到這樣的安全范圍。

1.3 肝切除術(shù)

入組病人均根據(jù)原發(fā)性肝癌診療規(guī)范(2011版)制定手術(shù)方式，采用開腹式手術(shù)，術(shù)式分為：半肝切除、肝葉切除、肝段切除。手術(shù)采用左側(cè)腹部反“L”形切口入路，探查腹腔后，由前方入路，解剖游離肝門下方GLISSON韌帶，實施GLISSON蒂橫斷術(shù)。當腫瘤位于IV段時，術(shù)中需行超聲檢查，以確認腫瘤確切位置及其與大血管關系，并使用肝門板鞘外法放置選擇性半肝入肝血流阻斷帶；當腫瘤位于其他肝段時，根據(jù)術(shù)中需要，選擇性行超聲檢查以確定手術(shù)切緣，并保證殘肝血供及靜脈回流。最后放置術(shù)區(qū)腹腔引流管。

1.4 觀察內(nèi)容

觀察組分別通過術(shù)前三維重建及傳統(tǒng)二維影像學檢查兩種方法評估計算術(shù)中預計肝切除體積，對比兩種測量方法與實際肝切除體積間的差異；比較觀察組與對照組間術(shù)前一般資料、手術(shù)時間、肝門阻斷時間、實際肝切除體積(術(shù)后排水法測量)、術(shù)中出血量及術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率間是否存在差異，并根據(jù)Child-pugh評分系統(tǒng)、血清丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶(AST)、總膽紅素(TBIL)、白蛋白(ALB)和凝血酶原時間(PT)水平對術(shù)前術(shù)后肝功能進行評估；根據(jù)吲哚氰綠15 min時的滯留率(ICG15)評估術(shù)前存留的肝功能；參考術(shù)后病理結(jié)果分別計算觀察組、對照組的R0切除率(R0切除為鏡下病理無殘留；R1切除為肉眼下無腫瘤殘留，但鏡下存在殘留；R2是肉眼和鏡下均有殘留)。

術(shù)后主要并發(fā)癥的定義如下：(1) 肝切除術(shù)后腹腔出血：術(shù)后血紅蛋白水平降低> 3 g/dL；需要進行介入止血(例如栓塞術(shù))和/或手術(shù)止血；通過腹腔引流管或影像學檢查證實腹腔內(nèi)進行性出血；(2) 膽漏：是指在術(shù)后3天由于膽源性腹膜炎而進行二次手術(shù)患者，或引流液膽紅素與血清膽紅素之比> 3；(3) 肝切除術(shù)后肝衰竭：為手術(shù)第5天之后國際標準化比率(INR)和血膽紅素持續(xù)升高；(4) 膿毒血癥的臨床診斷定義為有明確感染的全身炎癥反應綜合征，需滿足以下4個變量中的2個或2個以上陽性指標：①體溫過高(> 38.3 ℃)或體溫過低(<36 ℃)；②心動過速(> 90次/min)；③呼吸急促(速率≥20次/ min)或缺氧[指脈氧飽和度<90%或需要吸入氧氣分數(shù)(FiO2)≥0.4的氧氣以保持足夠的氧飽和度]；④白細胞增多癥[白細胞(WBC)計數(shù)> 12.0×109細胞/ L]，白細胞減少癥：白細胞計數(shù)<4×109細胞/ L，或未成熟白細胞> 10%。術(shù)后如上述全身感染陽性指標少于2個，輔助檢查或查體發(fā)現(xiàn)局部感染證據(jù)，可分為：切口感染、肺部感染、腹腔感染[7,8]。

1.5 統(tǒng)計學方法

2 結(jié)果

2.1 Amira三維重建技術(shù)用于肝切除體積的估算

觀察組通過三維重建評估的肝切除體積相較于傳統(tǒng)影像學方法，更接近于術(shù)中實際肝切除體積：2D預計切除體積為(514.73±173.60)cm3；3D預計切除體積為(537.96±183.23)cm3；術(shù)中實際切除體積為(556.31±183.16)cm3。但通過方差分析證實三者之間的差異無統(tǒng)計學意義(F=0.645，P=0.526)，如圖1a所示，因此三維重建對于肝切除范圍的評估并不遜色于傳統(tǒng)方法。用Amira三維立體重建技術(shù)對肝臟體積進行測算的圖像見圖2。

圖2 基于Amira軟件的三維立體重建技術(shù)進行肝臟測算a. 橫斷面肝臟下界；b. 橫斷面肝臟上界；c. Amira軟件自動測量冠狀面肝臟大??；d. Amira軟件于矢狀面對肝臟進行測量

2.2 術(shù)前三維重建有助于提高R0切除率

在性別、年齡、Child-Pugh評分、腫瘤大小、ICG R15等指標無明顯差異的兩組樣本中(表1)，雖然通過三維重建得出的肝臟預切除體積與傳統(tǒng)方式差異不大(圖1)，但該技術(shù)卻顯著提高了手術(shù)患者的R0切除率(88.46%vs71.19%,P=0.025，見表2)，這與更加完善的術(shù)前評估相關，提高了非R0切除患者的術(shù)前檢出率。

2.3 精準肝切除術(shù)的術(shù)中參數(shù)對比

經(jīng)過統(tǒng)計，觀察組手術(shù)平均時間稍短于對照組，但該差異無統(tǒng)計學意義(P=0.330)。而肝門阻斷時間和術(shù)中出血量在觀察組中得到了有效控制，如表2和圖1b。

圖1 (a) 3D重建和2D技術(shù)制定的手術(shù)切除體積與實際切除體積大小差異不大(ANVOA test)；(b) 兩種不同術(shù)前評估方案，術(shù)中出血量存在統(tǒng)計學差異(Student’s t test)

表2 精準肝切除術(shù)中參數(shù)的對比

2.4 兩組患者術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率

使用三維重建技術(shù)明顯減少了術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率(P=0.042)，如表3所示，該技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)術(shù)前解剖變異，提醒術(shù)者規(guī)避風險，也更加完善術(shù)前評估，準確評估手術(shù)難度，甚至可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法不能發(fā)現(xiàn)的相對手術(shù)禁忌癥。

表3 術(shù)后并發(fā)癥發(fā)病率及住院時間對比

3 討論

人體最大的實體器官——肝臟，其解剖結(jié)構(gòu)復雜，擁有肝動脈及門靜脈兩套獨立供血系統(tǒng)，因此，僅有的一套靜脈回流系統(tǒng)顯得尤為重要，進行肝臟手術(shù)時保護肝靜脈的重要性不言而喻。而尾狀葉又有單獨的一套血流系統(tǒng)，這又增加了肝臟解剖的復雜性及肝臟外科手術(shù)難度。Couinaud[9]根據(jù)肝動脈和門靜脈的血液供應將肝臟分為8個功能部分，即8個分段，由于肝癌手術(shù)要在切緣陰性的前提下保留最大的肝體積，以防止術(shù)后肝衰竭，所以術(shù)者了解肝臟的復雜解剖結(jié)構(gòu)，對于制定手術(shù)切除范圍至關重要。尤其對于那些新輔助化療后或潛在肝損傷的病人，術(shù)前掌握肝中靜脈解剖，對于術(shù)中避免損傷靜脈主干、移植手術(shù)中選取供肝標準、確保殘肝靜脈回流通暢、是否需靜脈重建等問題具有重要意義。但肝臟靜脈解剖變異率較高，術(shù)前并不能預知手術(shù)難度及準確的肝臟血管走行，這便對現(xiàn)行的手術(shù)理念提出了挑戰(zhàn)，精準肝切除術(shù)也就應運而生。

隨著現(xiàn)代肝膽外科與影像技術(shù)及計算機科技的不斷交叉融合，外科醫(yī)師的診療手段也有翻天覆地的變化，三維重建技術(shù)便是臨床應用較為廣泛的新型科技之一。以往手術(shù)前如果僅通過傳統(tǒng)2D方法主觀判斷圖像中的肝血管分支和肝實質(zhì)，醫(yī)生必須通過空間思維重建3D結(jié)構(gòu)并制定手術(shù)計劃，以整合多重信息來源，這種高頻率的思維交互必定會產(chǎn)生大量認知負擔，導致注意力分散[10-12]。認知負荷量是一個人同一時間內(nèi)能處理的最大信息量[13]，因此減少信息量可以減輕醫(yī)師的認知壓力，更有效率地處理手術(shù)信息。Amira就是這樣一款功能強大、使用便捷、重建模型匹配度高的醫(yī)學影像處理軟件，其重建的圖像清晰逼真，可以隨意旋轉(zhuǎn)、調(diào)換角度、層次虛化以觀察肝臟內(nèi)部各層次結(jié)構(gòu)。然而靠近肝門的肝左葉位置與胃壁、第三肝門、大網(wǎng)膜等組織相鄰，不可過分依賴程序所分離出的圖像，需要再次手工修飾，以保證重建后模型的匹配率。

本研究結(jié)果提示,術(shù)前三位重建有助于提高R0切除率，這不僅說明肝臟的精準切除術(shù)確有成效，更說明了完善的術(shù)前評估能提高非R0切除患者的術(shù)前檢出率。與本研究相似，有報道稱3D重建提高了醫(yī)師制定手術(shù)切除計劃的準確性，提高了他們的手術(shù)能力和信心，并且高年資醫(yī)生也無法通過2D圖像始終如一地制定正確的手術(shù)切除計劃[14]，因此3D重建技術(shù)不限于肝臟的精準治療，對于所有外科治療品質(zhì)的提升均具有幫助。文獻指出三維重建技術(shù)能讓肝膽外科醫(yī)師更精確地了解肝臟血液灌注情況，改善傳統(tǒng)2D平面術(shù)前評估策略，優(yōu)化手術(shù)方案[15]。本研究也證實了這一點，通過3D重建的觀察組術(shù)中出血量明顯減少，這與更精確的術(shù)前規(guī)劃密不可分，術(shù)中不僅規(guī)避了解剖變異的血管和血流豐富的血竇，也可以完整地、符合切緣要求地切除瘤體，從而減少了術(shù)中誤傷主要血管、膽管的風險，降低了術(shù)中、術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。

綜上所述，基于Amira軟件的三維立體重建技術(shù)有助于提高肝癌患者的R0切除率，術(shù)前明確患者肝臟解剖變異，優(yōu)化手術(shù)方案，指導個體化治療，實現(xiàn)精準治療。本研究為單中心、回顧性研究，入組病例較少，得出結(jié)論可能存在偏倚，且沒有長期隨訪數(shù)據(jù)，無法評估觀察組與對照組手術(shù)治療效果是否存在差異，期待更大樣本量的多中心前瞻性隨機對照實驗的驗證及補充。

4 結(jié)論

三維重建技術(shù)用于肝臟的術(shù)前評估能減小術(shù)者的認知負擔，提高醫(yī)師制定切除方案的合理性，提高R0切除率，降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率，是一種安全、有效的臨床輔助檢查手段。