肝臟管道灌注后數(shù)字化虛擬肝臟及其手術(shù)

1、肝臟管道灌注后數(shù)字化虛擬肝臟及其手術(shù)         07-08-20 15:55:00     編輯：studa20               作者：周五一，方馳華，黃立偉，周澤民，楊劍，劉旭，王博亮，鐘世鎮(zhèn) 【關鍵詞】  圖像處理    Digitized virtual liver

2、 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. An

3、d 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  liv

4、er 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 rese

5、cted 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,

6、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 sys

7、tems 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

8、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：肝臟管道灌注后進行數(shù)字化虛擬肝臟及其手術(shù)的研究. 方法：用四種顏色的灌注材料對肝臟的四種管道分別進行灌注和固定，然后進行包埋、冰凍和銑切，獲取

9、連續(xù)肝臟斷面圖像數(shù)據(jù)集. 再將數(shù)據(jù)集的圖像經(jīng)配準和分割后在VTK的基礎上，使用面繪制和體繪制相結(jié)合的方法，進行三維重建和虛擬切割實驗. 結(jié)果：獲取肝臟連續(xù)肝臟斷面圖像910張，且四種管道顏色不同. 三維重建肝臟模型形態(tài)逼真，能隨意旋轉(zhuǎn)、放大和縮小，通過設定肝臟及其各管道結(jié)構(gòu)的透明度和顏色能單獨或組合顯示各結(jié)構(gòu). 并且在模型上能行虛擬肝臟切割實驗. 結(jié)論：不同顏色灌注材料對肝臟管道灌注后銑切獲取連續(xù)斷面數(shù)據(jù)集有益于肝實質(zhì)及其內(nèi)部各管道的識別. 以此進行三維重建和虛擬手術(shù)的研究，有益于肝臟解剖學和肝臟外科的研究. 【關鍵詞】 肝；圖像處理，計算機輔助；三維重建；虛擬手術(shù)0引言現(xiàn)代肝臟外科的發(fā)展，與

10、肝臟臨床解剖學的發(fā)展以及現(xiàn)代科學技術(shù)手段在醫(yī)學上的應用密不可分的. 為了研究數(shù)字化肝臟，我們曾對虛擬中國人女性一號（VCHF1）1數(shù)據(jù)集中的肝臟數(shù)據(jù)進行了分析2和三維重建的系統(tǒng)研究3-4和建立離體肝臟標本灌注模型5后螺旋CT掃描所獲得的圖像數(shù)據(jù)進行三維重建的研究6，但以上兩種斷面圖像數(shù)據(jù)不能充分反映肝臟所有的管道信息. 為更進一步研究，我們將建立離體肝臟標本灌注模型5-6行冰凍銑切獲取肝臟連續(xù)斷面圖像數(shù)據(jù)集，并對數(shù)據(jù)集進行了三維重建和虛擬切割的研究. 1材料和方法1.1肝臟標本的灌注和斷面數(shù)據(jù)集的采集將建立的四種顏色灌注材料對四種管道分別進行灌注的離體肝臟灌注模型5-6，CT掃描無異常的一個標

11、本用藍色凝膠包埋，并在肝臟附近放置棕紅色的8個標志物作為以后所獲取的圖像配準點（圖1A）. 置-25 冷庫中冷凍3 wk后，在-27低溫實驗室采用JX1500A垂直的碾磨機1，磨盤直徑40 mm，轉(zhuǎn)速850 r/min連續(xù)等間距0.2 mm削切. 使用第三代富士數(shù)碼相機攝像采集斷面圖像. 1.2肝臟三維重建將所獲得的斷面圖像數(shù)據(jù)在PC機（CPU 奔騰42.8 GHz、內(nèi)存1.0 G）上進行. 為便于后續(xù)處理，首先將所有圖像JPEG格式轉(zhuǎn)換為BMP 格式. 1.2.1肝臟圖像配準利用包埋時預先埋在肝臟附近的標志物（圖1A）作為配準點，依據(jù)肝臟與這些標志物相對位置不變的特征，采用外部點力

12、和力矩法相結(jié)合進行圖像配準對圖像進行配準. 具體方法是： 原圖像中，背景是藍色的，配準點則為暗紅色，且分布在圖像的四周，首先依據(jù)配準點的顏色和位置特征，識別出配準點. 每張圖像和標準圖像進行對比，對每張圖像進行平移和縮放，使兩幅圖像的所有配準點都相互吻合. 從原圖像中切取出包含肝臟的區(qū)域（圖1B,C,D）.A：  肝門層面的原始圖像（No.498）（箭頭指向配準點）；B： 肝門層面的配準后圖像（No.498），清晰可見門靜脈、肝動脈、肝管等結(jié)構(gòu)；C： 肝右靜脈層面配準后圖像（No.298），清晰可見肝右靜脈、下腔靜脈、尾狀葉等結(jié)構(gòu)；D： 肝左靜脈層面配準后圖像（No.247），清晰可

13、見肝左靜脈、下腔靜脈、尾狀葉等結(jié)構(gòu). 圖1肝臟灌注后銑切斷面圖像（略）1.2.2肝臟圖像分割分割就是將圖像中感興趣的信息分別提取出來. 本研究分割主要針對肝靜脈和門靜脈，具體方法是： 高斯拉普拉斯算子在圖中提取出所有的輪廓線，其中既有肝臟的輪廓，也有管道的輪廓. 輪廓線進行膨脹和細化操作使輪廓線上的斷點愈合. 對各條輪廓線所包含的組織類型進行判斷： 如果顏色偏紅，則全涂成紅色，標注為門靜脈；如果顏色偏藍，則全涂成藍色，標注為肝靜脈；否則涂成棕色，標注為肝實質(zhì). 1.2.3肝臟的三維重建采用的方法是在VTK7開發(fā)工具包的基礎上，對圖像序列進行表面三維重建，恢復物體的三維形態(tài)結(jié)構(gòu). 具體方法是：

14、每幅圖像上，對同一種類型的組織提取輪廓線. 在相鄰兩幅圖像的輪廓線間，用三角形進行填充，形成一個帶狀的環(huán). 對所有圖像序列中的相鄰圖像，進行步驟的操作，即可重建出物體的三維表面形態(tài). 采用表面描述法和體數(shù)據(jù)描述法相結(jié)合的方法對重建后的三維肝臟模型進行顯示. 通過對各個結(jié)構(gòu)表面賦予不同的顏色值和不同的透明度，顯示各結(jié)構(gòu)（圖2）. 如對肝臟表面透明度設定為半透明即0.5，對其他組織表面透明度設定為1時，這樣既能看到肝臟的外輪廓，又能看到肝臟內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)（圖2B）.A： 顯示窗口及肝臟立體模型(前面觀)；B： 三維重建的肝臟及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（前面觀）（透明度：肝臟0.5；其他1）. C： 肝靜

15、脈和門靜脈的關系（前面觀）（透明度：肝靜脈、門靜脈1，其他0）；D：肝靜脈（上面觀）（透明度：肝靜脈1，其他0）.圖2三維重建肝臟及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)模型（略）1.2.4肝臟模型的虛擬手術(shù)切割采用表面數(shù)據(jù)與體數(shù)據(jù)相結(jié)合，用表面數(shù)據(jù)顯示肝臟的外觀，用體數(shù)據(jù)進行切割截面圖像的計算，實現(xiàn)了一個具備基本功能的虛擬肝臟切割手術(shù)仿真系統(tǒng). 其基本的操作流程為： 顯示肝臟表面模型； 設置調(diào)整虛擬切面位置； 進行截面圖像計算； 繪制切割后肝臟截面圖像.2結(jié)果2.1肝臟斷面圖像數(shù)據(jù)集肝臟灌注模型銑切后共采集圖像910張，JPEG格式1748×1812×24b， 3024×2016像素，

16、共494 MB. 肝臟斷面管道顯示良好，下腔靜脈和肝靜脈系統(tǒng)呈黑色，門靜脈系統(tǒng)顯示呈橘黃色，伴隨門靜脈走行的肝動脈顯示為紅色，深綠色為肝管和膽囊（圖1）. 2.2圖像的配準和分割配準的圖像在1500×1000的矩形區(qū)域，效果良好，且能完全顯示肝臟的全貌（圖1B, C, D）. 分割對肝臟實質(zhì)、肝靜脈和下腔靜脈、門靜脈、肝管和膽囊、肝動脈的表面輪廓分別進行了提取，獲得相應的信息.2.3圖像的三維重建分別對肝臟、肝靜脈和下腔靜脈、門靜脈、肝管和膽囊、肝動脈五部分進行了三維重建（圖2）和建立了Windows顯示功能窗口（圖2 A）. 通過Windows顯示窗口的相應功能鍵設定各個部分的透明度（01： 0表示完全透明不顯示，1表示完全不透明顯示）和顏色單獨或組合顯示各結(jié)構(gòu)，同時通過鼠標的左鍵的移動旋轉(zhuǎn)肝臟模型，通過鼠標的右鍵向窗口的上部或下部移動分別放大或縮小肝臟模型（圖2）.2.4虛擬肝臟手術(shù)切割在三維重建的肝臟立體模型上，設計了一虛擬切割面，通過調(diào)整虛擬切面位置，觀察虛擬切面與肝臟管道的位置關系，計算截面的圖像，獲得切割后的截面圖像（圖3）.A:  虛擬手術(shù)切面位置圖像；B, C: 虛擬手術(shù)切面與肝臟內(nèi)部管道的關