肝脏及其内部血管64排螺旋CT扫描数据三维重建及虚拟手术探讨

背景近20年来，原发性肝癌(HCC)患者的整体预后得到明显改善，但相对全球每年50万新发病例和近100万死亡病例而言，目前疗效远不能满足人们的期望。外科手术切除(partialhepatectomy)及肝脏移植(livertransplantation)属于根治性治疗，还是|教学论文范文|肝癌治疗的首要选择。肝肿瘤外科手术切除的可行性必须从解剖学上评估，看肿瘤的大小与数目及部位于肝脏何处、与肝脏内血管位置的关系、有无转移、手术后残肝的功能等。随着术前对患者更适当的评估、对肝解剖学和肝脏功能熟悉的增加、肝脏切除技术及术后护理的改善，肝脏切除的并发症及死亡率已大大下降，现在，国内、外肝脏切除死亡率的标准为＜3％。目前，随着计算机技术、图像处理技术、医学物理学科与医学的交叉融合和迅速发展，外科诊断与治疗的手段正在发生着很大的变化。近年来出现的计算机辅助手术系统，虚拟外科手术系统等就是在信息科学迅速发展并应用于医学领域产生的成果。外科医生通过这些先进的技术手段在术前、术中、术后对手术进行辅助支持。使外科手术越来越安全、可靠、精确，创伤越来越小。利用计算机辅助肝脏及肝内管道结构的三维重建并进行虚拟手术的研究十分活跃。RaptopoulsV等行螺旋CT血管造影三维重建，能同时完成显示门静脉、肝静脉全貌及其复杂的空间解剖结构关系，可直观评价门静脉、肝静脉的位置、管径、阻塞程度及其侧支循环情况。WigmoreSJ等则利用螺旋CT肝脏扫描图片进行三维重建、虚拟肝脏切除、评估肝切除手术后肝衰的危险性，从而决定肝脏的切除范围。肝脏3D及其虚拟手术是利用CT，MRI等图像序列进行处理，构造出能显示肝脏各结构的三维几何模型，将看不见的能以三维形式“真实”地显示出来，即可视化。它的优点是在空间中具有正确的定位，可以立体地从各个角度观察和丈量|教学论文网|各解剖结构、丈量|教学论文网|各种数据，促进肝脏临床解剖学的发展，同时虚拟肝脏的各种手术，并可以利用肝脏肿瘤患者的肝脏及其肿瘤的影像(CT、MRI等)扫描数据进行图像融合和更新，从而使外科医师在计算机上反复进行手术规划，反复演练手术过程并优化手术方案，提高手术技能，提高手术的安全性，降低手术并发症。近年来，随着科学技术的不断发展，尤其是计算机技术，以及CT(计算机断层)，MRI(磁共振)等医学影像技术的不断发展，计算机技术就越来越多地应用到现代医疗领域，尤其是多排螺旋CT的发展，具有强大的后处理功能，使用各种影像重组方法、多角度旋转进行诊断，为临床提供了更为具体、清楚的影像信息。但是多排螺旋CT重建的图像实在还是|教学论文范文|平面重建，还是|教学论文范文|二维的，是不可操纵的，是无法进行切割等外科手术操纵，也就无法满足临床的全部要求。所以要重建真正的可满足临床需要的、可任意旋转和进行手术的切割和分离的三维立体空间图像，并且具有力反馈的感觉，这样的立体重建图像对外科手术有深远的实际意义，这正是本课题所要研究的主要内容。目的研究肝脏及其内部血管进行64排螺旋CT扫描图像的特点；研究基于64排螺旋CT扫描数据的肝脏及其内部血管的手工分割和程序分割的方法；利用MIMICS软件和自行开发设计三维重建程序进行肝脏及其内部血管结构三维重建；并在此基础上研究虚拟肝脏切割手术仿真系统的方法。方法1．基于64排螺旋CT扫描数据的肝脏及腹腔血管三维重建的研究(1)研究对象：正常体检者，男性，36岁，身高1.76M，体重：74KG(2)肝脏64排CT原始扫描数据采集设备64排螺旋CT—PHILIPSBrilliance64(荷兰)。高压注射器采用MEDRAD双筒高压注射器(美国)。图像后处理工作站为PHILIPSBrilliance64层螺旋CT自带的Mxview工作站。(3)肝脏及肝血管的扫描条件：扫描前准备和扫描参数：管电压120KV、管电流300mAs、每旋转1周时间为0.5s、螺距(pitch)0.984、层厚5mm。(4)平扫和动态CT增强扫描：平扫：采用0.625×64排探测器组合，以层厚5mm、间隔5mm，螺距(Pitch)0.984，球管旋转一周时间0.5s，扫描视野40-50cm，矩阵512×512。开始常规上腹部平扫。CT增强扫描：使用双筒CT高压注射器，注射速率5ml／s，所用对比剂为高浓度非离子型碘必乐370(370mgI／m1)或优维显370(370mgI／m1)，剂量1.5ml／kg体重，对比剂注射完毕后以生理盐水50ml冲管，扫描技术条件同平扫，动脉期注射后扫描延迟时间20-25s，静脉期注射后扫描延迟时间50-55s。(5)肝脏CT薄层扫描数据集采集(6)肝脏及其肝内血管的三维重建方法：采用MIMICS(V10.0)三维重建软件，利用阈值法和人工结合的方法来分割图像，对分割好的图像进行三维重建，重建出的目标物体以格式STL和IGS导出并保存，将此模型导入逆向工程软件中，对模型进行精加工，最后得到既忠实于原始数据又适合虚拟操纵的模型。2基于螺旋64排CT扫描数据的肝脏图像的手工分割和三维重建(1)研究对象：女性，50岁。为左肝占位病变。体重58公斤。身高164CM(2)肝脏64排CT原始扫描数据采集设备64排螺旋CT—PHILIPSBrilliance64(荷兰)。高压注射器采用MEDRAD双筒高压注射器(美国)。图像后处理工作站为PHILIPSBrilliance64层螺旋CT自带的Mxview工作站。(3)肝脏及肝血管的扫描条件：扫描前准备和扫描参数，同第一部分。(4)平扫：常规平扫时患者取仰卧位，头足方向，由膈顶至肝脏下缘，扫描条件120KV、250mAs；采用0.625×64排探测器组合，以层厚5mm、间隔5mm，螺距(Pitch)0.984，球管旋转一周时间0.5s，开始常规上腹部平扫。扫描结束后应用增强原始数据进行0.67mm的薄层重建，并将图像数据传至Mxview工作站。(5)平扫及动态CT增强扫描：5．1CTA扫描：小剂量预注射试验5．2MSCTP扫描：门静脉预试验法(6)肝脏64排螺旋CT扫描数据的收集图像分为平扫期、动脉期、静脉期、门静脉期，分别有图像658层。在Mxview工作站，进行数据的刻盘存贮。将各期DICOM格式的图像转换为BMP格式。(7)肝脏可视化(Visualization)各期的图像数据将按照不同时期分别进行处理：7．1肝脏图像配准(ImageRegistration)原始数据收集时，要求该数据四个不同时期即平扫、动脉期、门静脉期、肝静脉期的扫描起始点、结束点相同，扫描顺序、层数相同，进行三个不同时期的图像之间的配准。7．2肝脏图像分割(ImageSegmentation)采用Photoshop7.0图像处理软件。具体方法是：图像导入----肝脏轮廓标注----反选----删除----保存。7．3肝脏图像的三维重建(Three-dimensionalReconstruction)使用MIMICS三维重建软件(由南方医科大学解剖研究所免费提供，已获得授权)，将采用上述方法分割好的肝脏图像先导入MIMICS三维重建软件中，利用肝脏实质及肝内管道灰度的不同，设定不同的域值域值范围，将肝脏实质及肝内管道分别提取出来，进行三维重建肝脏及其内部管道的三维模型(图3～6)，并将重建的肝脏及其管道模型输出为STL(StandardTemplateLibrary标准模板库)格式。然后将模型导入到FreeFormModelingSystem--自由设计模型系统进行平滑和去除一些过多的细节和噪声。3基于64排螺旋CT扫描数据的肝脏图像的程序分割和三维重建研究(1)64排螺旋CT肝脏扫描数据集与第二部分采集的数据集相同。(2)肝脏可视化(Visualization)各期的图像数据将按照不同时期分别进行处理。2．1肝脏图像配准(ImageRegistration)调整各期图像扫描顺序、起始处和结束处一致。2．2肝脏图像分割(ImageSegmentation)首先在序列中每一幅二维图像上将肝脏及其血管分离出来，然后利用分割的结果序列实现单独器官的三维重建。其重点就是在保证单个图像分割结果正确的同时，提高序列意义上分割的自动化程序。采用区域生长算法，实现序列化分割。(3)肝脏及其内部血管的三维重建分别采用MIMICS软件和自行开发的Tony2image软件三维重建肝脏及其内部血管的表面模型。4基于64排螺旋CT扫描数据肝脏3D虚拟手术仿真的研究虚拟肝脏切割手术(VirtualHepatectomy)将本课题第二部分三维重建好的肝脏及其血管模型(STL文件格式)导入FreeFormModelingSystem--自由设计模型系统二次开发的虚拟切割的软件，利用系统的力反馈设备PHANTOM，操纵模拟手术刀对肝型可以进行随意的切割，建立虚拟肝脏切割手术环境系统，并对肝脏左外叶肿瘤切除手术的不同方式和右半肝脏切除术进行了肝脏切割手术仿真的研究。结果1．基于64排螺旋CT扫描数据的肝脏及腹腔血管三维重建的研究肝脏的64螺旋CT薄层扫描数据集：共获得676层CT扫描图像。图像分为平扫期、动脉期、静脉期、门静脉期。重建的肝型能真实反映肝脏的实际体积和肝脏的解剖标志，并且通过调节肝脏的透明度可同时显示肝脏和肝内的动脉、静脉、门静脉各分支。下腔静脉及肝静脉的三维结构能清楚显示，左、中、右肝静脉的主干及一级分支。三支肝静脉的走行、管径以及汇入下腔静脉的方式都能清楚显示。腹主动脉、腹腔动脉及其分支胃十二指肠动脉、双肾动脉、胃右动脉、胃左动脉、肝固有动脉、脾动脉、肠系膜部分动脉等结构，形态逼真，立体感强。尤其是动脉的迂曲走行，和解剖图谱相比更加立体和真实。动脉的各级分支同时能清楚展示。门静脉系统显示肝外的主干和脾静脉、肠系膜上静脉。肝内门静脉系统能清楚显示门静脉的左主干和右主干，以及各叶、段的分支：左干横部、左干矢状部、左干外上叶支、左内叶支、右后叶支和右前叶支以及3、4级分支。重建后门静脉分支类型、行程与扫描完成后将所得数据传至64排螺旋CT后台Mxview工作站薄层重建并行容积再现法(VR)对肝脏门静脉管道重建完全相符。2基于64排螺旋CT扫描数据的肝脏图像的手工分割和三维重建(1)64排螺旋CT肝脏扫描数据图像共采集四个时期：平扫期、动脉期、门静脉期、静脉期，得到四套完整的数据。每套数据图像658张，格式DICOM。肝脏轮廓清楚，断面管道造影剂充填良好，各种血管管道清楚，动脉期：腹主动脉及其各个分支均清楚显示，肝动脉及左肝动脉、右肝动脉以及下属分支均能清楚显示。静脉期：肝静脉主干显示良好，下腔静脉内造影剂充填不均匀，肝静脉的属支仅能肉眼辨认至。门静脉期：门静脉系统管道显示很好，几乎能达到门脉的五级分支以上，门脉内造影剂充填良好，与肝实质分界清楚。(2)肝脏可视化2．1肝脏图像的配准打开不同时期的图像进行比对，在肝脏的外观、大小以及图像的层数和数据集的第一张到最后一张全部配准。扫描顺序一致，无偏差。配准良好，包括了所有序列图像的肝脏全貌，图像连续浏览无晃动。2．2肝脏图像的分割根据需要对感兴趣的区域(RegionofInterestROI)肝脏实质进行手工勾画|语文教学论文|，不同时间所保存的图像内容不同，肝静脉期：肝脏里包含有肝脏和肝静脉信息，门静脉期含有门静脉管道结构和肝脏实质。肝动脉期仅含有肝动脉和肝脏边沿信息。分割提取后保存，获得相应的图像信息。MIMICS重建的三维肝脏及其内部管道结构模型表面较粗糙，带有较多的毛边，肝脏表面有门路感，管道结构连续，但表面不光滑，甚至肝动脉带有很多三角形的碎片。经FreeFormModelingSystem进行平滑和去除一些过多的细节和噪声后，形态逼真。在FreeFormModelingSystem中显示时，可以对模型放大、缩小、旋转，全方位观察。将三种不同的管道：肝动脉、肝静脉、门静脉和肝脏全部导入后，得到一个完整的包含有三种血管结构的肝脏。3基于64排螺旋CT扫描数据的肝脏图像的程序分割和三维重建研究(1)肝脏图像的分割采取区域生长法进行图像的快速分割，可以迅速将数据集中的846张图片中的肝脏846张、肝静脉634张、肝动脉312张和门静脉658张分割，分割效果好。(2)肝脏及管道的三维重建和肝脏管道结构特征采用MIMICS软件对程序分割的数据图像重建，可见重建的肝动脉、肝静脉、门静脉、肝脏结构清楚，立体感强，形态逼真。其中门静脉系统，清楚显示脾静脉和肠系膜上静脉汇合成门静脉主干以及入肝后的各级分支，并可显示各血管的立体走向。采用自行设计的软件Tony2image三维重建效果，动脉期肝脏：肝脏外观逼真，立体感强，肝脏的解剖标志基本清楚，与肝脏标本的外观相似。肝门处可见肝动脉走行，迂曲，逼真，可通过透明的肝脏观察肝动脉的位置、分支、口径。将动脉期肝脏与门静脉期肝脏全部导入后，两者几乎重叠，可见两个不同时期肝脏重建后吻合度高。重建后的肝静脉不同方位，左、中、右肝静脉均能很好显示3级分支。门静脉期肝脏重建后，半透明状态，清楚显示其内的门静脉系统管道走向、口径、长度以及在肝脏内的分布。重建后的肝型具有肝脏、肝动脉、肝静脉和门静脉，形态逼真，立体感强。通过对模型放大、缩小和旋转可全方位观察各结构；通过目标物体的选择控制目标的透明度和颜色设定来单独或组合显示肝脏及其管道结构各部分，基本实现了交互式分析。肝脏可视化后，肝脏、肝动脉、肝静脉和门静脉，立体形态逼真，外形和实物相似。肝脏内部管道空间立体感强，肝动脉、肝静脉和肝门静脉的分布、行程以及相互关系明晰。4基于64排螺旋CT扫描数据肝脏3D虚拟手术仿真的研究(1)肝脏可视化三维重建的肝脏图像MIMICS重建的三维肝脏及其内部管道结构表面模型经FreeFormModelingSystem进行平滑和去除一些过多的细节和噪声后，形态逼真。在FreeFormModelingSystem中显示时，可以对模型放大、缩小、旋转，全方位观察。(2)肝脏切割手术仿真在建立的虚拟肝脏切割手术虚拟环境系统中，沉浸感强，交互性好。可以使用力反馈设备PHANTOM对立体肝型进行随意的控制，包括放大、缩小、全方位旋转等等；可以通过PHANTOM操纵“模拟手术刀”模拟肝脏切割手术过程，对肝型进行单一平面切割或随意地切割，并在切割时实现了“力”的感觉。通过调节切割对象的强度，感受切割时力反馈的大小。(3)肝左外叶、肝右叶部分切除手术仿真在建立的虚拟肝脏切割手术虚拟环境系统中，使用力反馈设备PHANToM操纵“模拟手术刀”模拟肝脏切割手术过程，对肝型进行左外叶切除手术、右半肝切除术，其结果符合临床手术的效果。利用GHOSTSDK提供的工具，人工绘制的肝脏肿瘤模拟物——不规则形状物，加入到肝型左外叶处。将肝脏表面模型部分透明，通过旋转、放大等观察“肿瘤”与肝内管道的位置空间关系明确，“肿瘤”位于左外叶上段，包绕肝门静脉左外叶上段支和肝左静脉左外叶上段属支，可真实模拟手术切割过程。手术模拟过程逼真，形象，且能有“力”的感受。结论1．采用先进的64排螺旋CT肝脏扫描图像，采用MIMICS(V10.0)三维重建软件，利用阈值法和人工结合的方法来分割图像，三维重建肝脏及其内部血管、腹腔血管，重建的肝脏、肝内血管形态逼真，立体感强，尤其是腹腔动脉系统管道形象生动，动脉的各级分支的走向、管径的大小以及血管之间关系清楚，有助于临床手术时的操纵，有助于肝脏及腹腔血管的临床教学和肝脏血管的研究。2．采用特殊的造影方法，使得64排螺旋CT肝脏内部管道图像更加清楚，与肝实质的对比明显。在此基础上，采用图像处理软件，利用手工分割的方法，采用MIMICS(V10．0)三维重建软件，三维重建肝脏及肝内管道结构，得到肝型表面光滑，肝内管道清楚，色彩鲜艳，立体感极强，为肝脏的虚拟手术打下基础，该模型交互性好，具有极强的可操纵性和表现性。3．在第二部分研究基础上，进一步开发设计分割程序和三维重建软件，利用自行设计的程序进行图像的分隔和三维重建，效果理想，与MIMICS软件相比，其重建的肝脏及其内部管道结构表面固然粗糙，但立体效果好，无论是构象性还是肝脏的结构比例还是管道的立体走向均能完美再现。该项工作的进一步研发，有望开发出具有自主知识产权的针对肝脏图像的分割和三维重建软件。4．采用先进的64排螺旋CT肝脏扫描图像，采用面绘制的方法三维重建，在力反馈设备的基础上进行手术器械的二次开发和虚拟肝脏切割手术的研究，交互性、沉浸性和构象性好，模拟肝切除手术的过程和结果均比较理想，达到满足的程度，取得了初步的结果，对推进肝脏临床外科手术学研究的发展有重要意义。【关键词】：64排螺旋CT肝脏图像图像分割程序分割三维重建虚拟肝脏虚拟手术
【论文提纲】：中文摘要3-13英文摘要13-27前言27-371.多排螺旋CT的发展和优越性27-282.肝脏的计算机辅助三维重建28-293.虚拟外科手术的现状29-34本项目的特色与创新之处34-35参考文献35-37第一部分基于64排螺旋CT扫描数据的肝脏及腹腔血管三维重建的研究37-51引言37材料和方法37-40结果40讨论40-43参考文献43-45附图45-51第二部分基于64排螺旋CT扫描数据的肝脏图像的手工分割和三维重建的研究51-69引言51-52材料和方法52-57结果57-58讨论58-61参考文献61-62附图62-69第三部分基于64排螺旋CT扫描数据的肝脏图像的程序分割和三维重建的研究69-91引言69-70材料和方法70-75结果75-77讨论77-80参考文献80-82附图82-91第四部分基于64排螺旋CT扫描数据的肝脏三维重建虚拟手术的研究91-113引言91-92材料和方法92-97结果97-99讨论99-102参考文献102-103附图103-113中英文缩略词对照表113-115综述肝脏三维重建和虚拟手术研究进展115-124博士研究生期间基金项目、发表论文124-125致谢125-128附证实128