图像分割与手术导航技术在肝胆外科的应用研究

发布时间：2018-05-22 20:08

本文选题：图像分割 + 三维可视化　；参考：《南方医科大学》2015年硕士论文

【摘要】：研究背景原发性肝癌(hepatocellular carcinoma,HCC)的发病率呈逐年上升的趋势,每年都有超过800,000的病人死于该疾病,目前HCC在全球癌症致死病例中排名第2,有80%左右的肝癌患者伴有肝炎病毒的感染。肝切除术和肝脏移植术被认为是有手术机会HCC患者的根治性治疗方法,是其获得长期生存的重要途径。术前肝内血管解剖结构的准确识别和肝脏体积、肝功能的准确评估,对于肝切除术的顺利完成具有重要意义：在实施肝脏恶性肿瘤R0切除的同时,确保剩余肝脏有足够的血液供应及回流、胆汁的充分引流,从而最大程度地减少术后肝功能不全／肝功能衰竭的发生,降低围手术期的死亡率。肝移植术是HCC的另一重要的手术治疗手段,包括尸体供肝肝移植术和活体肝移植(living donor liver transplant, LDLT)。对于LDLT而言,移植肝的体积评估和肝内解剖信息对于供者和受者均极其重要,涉及二者术后的生命安全。因此,对于可以手术治疗的HCC患者,无论是肝切除术还是肝移植术,术前肝脏体积的评估和肝内血管解剖的了解是术前规划的重要内容。为了安全实施各种肝脏外科手术,外科医生希望可以利用一些简单而准确的方法来进行肝脏体积评估。计算机断层扫描(computed tomography, CT)作为一项快速而无创的影像学检查方法,在术前诊断和肝脏体积评估中扮演了重要角色。目前有三类基于CT图像的肝脏体积计算方法：手工体积分割、半自动交互体积分割和全自动体积分割。手动分割虽然是目前公认的肝脏体积计算的金标准,但受阅片者经验影响、主观性强且耗时,限制了其在临床的应用。随着计算机技术的发展,出现了许多半自动和全自动分割的肝脏体积计算方法,这些方法的运算速度快,如果能达到与手工分割同样的精确度,那将为临床工作带来极大的便利。虽然外科手术是HCC的根治性治疗方法,但是流行病学调查显示,大部分HCC病人由于合并有肝炎后肝硬化,仅有10%-30%的患者能够获得根治性手术的机会,超过80%的HCC患者只能选择经肝动脉栓塞化疗及消融等非根治性治疗手段。其中局部消融术适应症广泛,是难以手术切除的HCC患者安全有效的方法之一,亦可以作为肝移植术的过渡治疗手段。现有消融手术的引导方法主要有：直视或术中超声引导穿刺消融、腹腔镜引导穿刺消融、常规影像引导(超声、CT、MRI)经皮肝穿刺消融等,其中经皮肝穿刺具有创伤小、术后疼痛轻、住院时间短、可重复性操作等优点而应用最为广泛。经皮肝穿刺需借助超声、CT、MRI等传统影像设备的引导,但这些影像学引导方法均有不同程度的局限性。基于上述问题,本课题拟运用手工分割的方法对肝脏CT图像进行分割,以此得到的肝脏体积作为金标准,并对同样的肝脏数据采用两种全自动肝脏分割法及一种半自动分割法分别进行肝脏分割和体积计算。上述全自动分割法来自中国科学院深圳先进技术研究院医学图像与数字手术研究室开发的：统计形状模型(statistical shape model, SSM)和概率图谱(probabilistic atlas, PA)法；半自动分割法采用南方医科大学与华南师范大学联合开发的腹部医学图像三维可视化系统(Medical image three-dimensional visualization system, MI-3DVS,专利号：2008SR18798)。通过对CT图像体积测量的准确性、一致性和效率等方面进行比较,来判断SSM、PA和MI-3DVS的优缺点,优选出符合临床应用需求的肝脏图像分割及体积计算的术前评估工具。随后采用半自动分割的三维可视化软件MI-3DVS进行肝脏肿瘤手术前后肝内血管的解剖重现、肝脏分段和体积计算,结合患者预后等进行比较,从而评估MI-3DVS在提高肝脏切除手术的精准性及安全性的临床应用价值。同时,在现有的图像分割技术的基础之上,研究开发了一套基于光学定位的经皮肝穿刺手术导航系统,通过体模穿刺实验来验证该导航穿刺系统的精确性、稳定性,为肝脏肿瘤的消融治疗提供稳定、精准、快捷的定位穿刺技术,克服现有经皮肝穿刺技术的不足。一、一种半自动分割和两种全自动分割法在基于CT图像体积测量中的对比研究目的1.对现有的CT数据采集方法进行优化,获取高质量肝脏亚毫米级CT三期数据。2.通过比较MI-3DVS、SSM、PA同手工分割在基于CT图像体积测量准确性、一致性和效率的差异,来判断三者各自的优势和不足。材料和方法1.研究对象2013年4月至2014年1月之间,在南方医科大学珠江医院肝胆一科行腹部三期增强扫描的患者中,随机抽取42人纳入本部分研究。根据肝脏是否存在病变分为A、B两组。A组为正常肝脏组,其中男性21例,女性6例,男性年龄为50.0±15.0岁,女性年龄为57.8±10.9岁。B组为异常肝脏组,其中男性9例,女性6例。男性年龄为48.3±15.3岁,女性年龄为60.2±13.6岁。B组病变包括7例HCC和8例肝胆管结石。选用门静脉期图像来进行图像分割,因为此期图像可以最大程度的分辨出肝实质和非肝组织之间的差异。2.仪器和设备(1)多排螺旋CT:PHILIPS BRILLIANCE 64/256层螺旋CT扫描仪；CT造影剂：碘比乐(Iopamiro);双筒高压注射器；由PHILIPS多排螺旋CT自带的图像后处理工作站：Mxview workstation。(2)南方医科大学数字医学临床中心HP刀片式服务器。(3)高性能计算机。(4)腹部医学图像三维可视化系统MI-3DVS、一种基于统计形状模型的肝脏分割方法、一种基于概率图谱的肝脏分割方法。3.CT数据的采集和存贮具体操作过程详见参考文献(Yang J, Fang C H, Fan Y F, et al. To assess the benefits of medical image three-dimensional visualization system assisted pancreaticoduodenctomy for patients with hepatic artery variance[J]. Int J Med Robot,2014)。4.CT数据的具体分割方法(1)手动分割构建金标准：本人先采用Microsoft GeoS软件进行了300例肝脏CT图像的分割练习,经评分检测已经具备了熟练的肝脏手动分割图像水平,经验与同水平放射科医生相当。随后继续使用该软件来进行本研究的金标准构建,同时所有数据再由一名有资质的影像科医生进行校对,由此构建出本研究的金标准。(2)所有半自动分割和全自动分割均由上述影像科医生操作完成。5.肝脏CT图像分割评价指标的简述(1)肝脏体积：Volume (V).(2)分割时间：Time (T)。(3)相对体积差百分比relative absolute volume difference (VD)。当其值为正数时表示过分割,值为负数时表示欠分割,值为0时表示分割体积与手工分割体积无差异。6.统计学处理对于多组计量资料的比较,若服从正态分布且方差齐性时,做完全随机的方差分析,当方差分析的统计检验有统计学意义时,则选用最小显著差或者Bonferroni检验进一步进行两两比较：当方差不齐时,则做Kruskal Wallis的统计检验。如果Kruskal Wallis的统计检验有统计学意义,则选用Bonferroni法校正P值进-步进行两两比较。使用Pearson相关系数(r)来评估线性关系。选用组内相关系数(ICC)和Bland-Altman法来衡量金标准和全自动／半自动分割体积之间的一致性及程度。设定P0.05为差异有统计学意义。统计分析使用SPSS 13.0 (SPSSInc, Chicago, IL, USA)软件。结果1.不同方法所得到的肝脏体积大小在A组中,金标准的体积为1203.3+285.6cm3,由MI-3DVS得到的体积为1182.4±279.3cm3,由SSM得到的体积为1170.2±279.9cm3,由PA得到的体积为1233±274.5cm3。同金标准相比,MI-3DVS的VD值为-1.69%,SSM.的VD值为-2.75%,PA的VD值为3.06%。在B组中,金标准的体积为1272.3±313.2cm3,由MI-3DVS得到的体积为1233.1±317.4cm3,由SSM得到的体积为1228.2±300.0cIn3,由PA得到的体积为1314.4±301.6cm3。同金标准相比,MI-3DVS的VD值为-3.20%,SSM的VD值为-3.35%,PA的VD值为4.14%。不同方法所获得的肝脏体积之间差异无统计学意义：MI-3DVS和金标准相比,在A组P=0.783,在B组P=0.731; SSM和金标准相比,在A组P=0.665,在B组,P=0.696；PA和金标准相比,在A组P=0.696,在B组P=0.710;SSM和MI-3DVS相比,在A组P=0.875,在B组P=0.963；PA和MI-3DVS相比,在A组P=0.505,在B组P=0.475；PA和SSM比较,在A组P=0.410,在B组P=0.447。不同方法之间VD的两两比较结果显示,其差异亦无统计学意义：SSM和MI-3DVS相比,在A组P=0.233,在B组P=0.066；PA和MI-3DVS相比,在A组P=0.715,在B组,P=0.262；PA和SSM比较,在A组P=0.406,在B组P=0.326。2.不同方法分割肝脏所消耗的时间在A组,手动分割构建金标准的时间为41.78±10.09 min; MI-3DVS分割肝脏的时间为27.63±4.50 min; SSM分割肝脏的时间为1.28±0.51 min; PA分割肝脏的时间为1.19+0.20 min；在B组,手动分割构建金标准的时间为47.93±6.32min; MI-3DVS分割肝脏的时间为27.53±4.00 min; SSM分割肝脏的时间为1.23±0.60 min; PA分割肝脏的时间为1.16±0.09min。A、B两组中,在运算时间上比较：(1)MI-3DVS、SSM、PA同金标准相比,差异均有统计学意义(三组P0.001),三种计算方法均快于手动分割。(2)SSM、PA同MI-3DVS相比,差异均具有统计学意义(两组P0.001),SSM和PA均快于MI-3DVS。(3)SSM同PA相比较,差异均无统计学意义(A组P=0.950,B组P=0.960)。3.不同方法之间一致性的比较在A组,MI-3DVS与手动分割之间的ICC为0.982,r为0.984；SSM与手动分割之间的ICC为0.980,r为0.986；PA与手动分割之间的ICC为0.978,r为0.984。在B组,MI-3DVS与手动分割之间的ICC为0.987,r为0.994；SSM与手动分割之间的ICC为0.985,r为0.996；PA与手动分割之间的ICC为0.955,r为0.962。Bland-Altman散点图结果显示在A、B两组,MI-3DVS、SSM、PA与手工分割相比,均具有很高的一致性。结论1.在正常肝脏组和异常肝脏组,MI-3DVS、SSM和PA同金标准在体积测量方面相比,均具有很高的一致性,精度很高。2.在正常肝脏组和异常肝脏组中,SSM和PA在运算速度上均要高于MI-3DVS,说明两者效率更高。3.三者在体积测量精确度方面均可适应临床需要,同时MI-3DVS具有强大的图像后处理功能,可以对肝脏进行分段、拆分,从全方位、多角度清晰同步显示器官与病灶的关系,同时还可以进行仿真手术的操作,是适合临床应用的一个重要的辅助工具。二、MI-3DVS在个体化肝脏分段和肝切除术前规划的应用研究目的1.研究MI-3DVS在实现个体化、数字化肝脏分段的能力。2.评价MI-3DVS在实际应用中,提高肝脏切除手术的精准性及安全性的临床应用价值。材料和方法1.研究对象2013年1月至2014年6月之间,在南方医科大学珠江医院肝胆一科所进行的34例基于MI-3DVS个体化肝脏分段辅助下肝切除术的HCC患者。其中男性29例,女性5例,男性年龄为49.7±12.5岁,女性年龄为48.2±16.9岁。根据手术方式的不同,进一步分为：(1)4位患者接受规则性肝切除术,分为A组；(2)30位患者接受不规则肝切除术,分为B组。2.使用的仪器和设备(1)多排螺旋CT:PHILIPS BRILLIANCE 64/256层螺旋CT扫描仪；CT造影剂：碘比乐(Iopamiro);双筒高压注射器；由PHILIPS高排螺旋CT自带的图像后处理工作站：Mxview workstation。(2)南方医科大学数字医学临床实验中心HP刀片式服务器。(3)高性能计算机。(4)腹部医学图像三维可视化系统MI-3DVS。3.CT数据的采集和存贮同第一部分。4.腹部图像的三维重建、个体化肝脏分段的实现及手术规划的原则(1)腹部图像的三维重建过程：①将所需要的CT数据从服务器上下载,导入至MI-3DVS。②选择器官、血管、胆管等相应重建模块,进行个体化的三维重建；③重建完成后,再根据专业知识判断,是否需要进行修正。(2)个体化肝脏分段的实现：以Couinaud分段理论为基础,通过计算机图像分割技术将病人CT图像中的肝脏、肿瘤和血管划分出来,自动提取静脉血管的中心线,建立血管树模型,按照门静脉供血、肝静脉回流的原则,计算肝段的范围,进而自动划分肝段,并以三维可视化的方式显示肝段。(3)手术规划的原则：根据肝癌切除术的无瘤原则,R0切缘≥1cm。同时保证剩余足够体积的肝脏可以维持机体的生命活动功能。5.相关指标的评判标准(1)预计切除肝脏体积：predicted excisional liver volume (PELV)。由MI-3DVS术前规划切除的体积。(2)实际切除肝脏体积：actual excisional liver volume (AELV)。AELV=|术前3天CT体积-术后5天CT体积,因为根据Nagasue等(Nagasue N, Yukaya H, Ogawa Y, et al. Human liver regeneration after major hepatic resection. A study of normal liver and livers with chronic hepatitis and cirrhosis[J].Ann Surg,1987,206(1):30-39)的研究结果显示：肝切除术后肝脏的再生是从第7天开始,故默认为术后第5天肝脏没有开始生长,此时的体积恰好为术后切除时的体积。(3)绝对误差：absolute error (AE). AE=|PELV—AELV|(4)误差百分比：percentage error (PE). PE=AE÷AELV6.统计学处理用回归分析来进行AELV和PELV之间的比较,用Pearson相关系数(r)来判断两者之间的线性关系,选用组内相关系数(ICC)来衡AELV和PELV之间的一致性。应用Bland-Altman分析单纯地对两种方法测得结果的一致性程度进行评价。设定P0.05为差异有统计学意义。统计分析使用SPSS 13.0 (SPSSInc, Chicago, IL, USA)软件。结果1.术前规划切除体积和实际切除体积之间的差异从总体上看,AELV为319.9±157.6cm3, PELV为298.8±157.6cm3,两者之间的AE为21.1±5.9cm3, PE为8.0±4.0%。A组AELV为350.7±139.0cm3,PELV为331.1±143.8cm3, AE为19.6±4.8 cm3, PE为6.5±3.2%；B组AELV为315.8±161.6cm3, PELV为294.5±161.1 cm3, AE为21.4±6.1cm3, PE为8.2±4.1%。2.术前规划切除体积和实际切除之间的关系在A、B两组,AELV和PELV之间均有很强的正相关关系,A组的一元回归方程为AELV=1.034×PELV-31.48 (r=0.97;P0.001),B组的一元回归方程为AELV=0.996×PELV-20.08 (r=0.92;P0.001)。A组的ICC为0.994,r为0.97；B组的ICC为0.992,r为0.92。Bland-Altman散点图结果显示在A、B两组,AELV和PELV均具有很高的一致性。3.个体化分段结果采用MI-3DVS依据Couinaud分段原理,进行的个体化肝脏分段,与实际手术对比。结论1.虽然在A、B两组中,PELV和AELV之间达到了很强的相关性,但是两者之间的差异仍然具有统计学意义。可是结合临床实际：全部34例病人无术后肝功能不全/肝功能衰竭的发生,围手术期死亡率为0%。认为这种差异是可以接受。2.MI-3DVS的个体化分段功能,是以患者个体化的血管走形和肝脏体积为依据,在Couinaud理论的指导下,通过计算机技术进行划分,结果客观、真实、可靠,为肝脏分段的解剖学研究提供了新的方法。3.MI-3DVS是一个具有临床价值的手术辅助工具,它可以提高手术治疗的安全性,胜任临床工作的需要。三、经皮肝脏穿刺手术导航系统的初步研究目的1.构建一种光学引导下手术导航系统。2.初步探究该手术导航系统在体模试验中的准确性、稳定性。材料和方法1.研究对象本课题组自主研发的一种光学引导下经皮穿刺手术导航系统。2.设备和仪器(1) NDI Polaris光学定位跟踪系统；(2)Kinect深度相机；(3)高性能计算机：联想Thinkpad w540;(4)腹部穿刺模型：image-guided abdominal biopsy phantom; (5)导航软件：腹部手术导航系统,登记号：2014SR000461；(6)多排螺旋Siemens CT;(7)穿刺针。3.导航实验的流程(1)布置实验场景,连接相应设备,搭建导航系统。(2)对腹部穿刺模型进行CT扫描,将得到的薄层DICOM图像数据通过网络传送到导航系统中。(3)进行导航注册：其目的是在体模的影像坐标系和定位装置的坐标系之间建立坐标映射的关系,其精度直接决定了导航系统的精度。(4)根据所得到的CT数据进行分析,对CT图像中的肝脏和肿瘤进行分割,然后进行导航方案的选择：规划穿刺路径、进针点和进针角度。(5)在导航方案的指导下进行穿刺：寻找入口点,调整进针角度,进行穿刺。导航界面实时跟踪显示针尖位置、实际路线和规划路线的差距以及误差。(6)穿刺结束,进行CT扫描,分析得到针尖距离目标(肿瘤)质心的距离。4.相关指标的评判标准(1)导航时间：术前建立导航系统所需要的时间。(2)穿刺误差：Target Placement error (TPE),穿刺针尖与肿瘤质心之间的距离。5.统计学处理本部分不涉及统计学分析,仅作统计学描述。结果1.自术前CT扫描获取至传送至导航系统,然后规划穿刺路径,所消耗时间在15 min左右。2.在本导航系统下共进行了8个“肝脏肿瘤”的共72次穿刺实验,穿刺误差TPE为：5.14±2.41mm(范围：1.18-11.05mm)。结论1.本手术导航系统是搭建在现有手术环境的基础上,设备简便,不会影响正常手术室的工作。2.在手术过程中,导航所消耗的时间为15 min左右,过程简单,易于接受。3.在72次实验中,导航系统均达到了很高的精度,说明穿刺效果可靠、稳定性良好。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R657.3;TP391.41

【参考文献】