三维可视化及3D打印在精准肝切除手术中的应用

商搏世 石光林 徐洪来 肖敏 高聪 梁潇帝 王光正

摘  要：为了给肝癌病人做的肝切除手术能更精准进行，测量出需要切除与保留的肝脏体积，更好地制定出手术的具体方案，将一名女性肝右叶肝细胞性肝癌患者的肝脏CT图像导入Synapse 3D软件中进行图像处理，实现对肝脏模型的三维重构;然后根据血管和肿瘤所在位置分析出需要切除的范围，区分出肝脏三维模型的切除部分和保留部分并进行体积测量;根据肝脏的三维模型运用3D打印技术分别打印出肝脏的2个部分.结果表明：肝脏切除手术顺利进行，切除实质部分与3D打印模型相似，经过测量，手术切除肝脏部分的体积符合预估.

关键词：肝脏;医学影像三维重构;3D打印;精准肝切除;体积测量

中图分类号：TP273;R575                  DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.03.008

0    引言

肝癌在各种癌症中的发病率很高，而且治疗起来十分困难，给人民的生命健康带来了极大的威胁，而治疗癌症最主要的方法是进行外科手术.

在过去的肝癌治疗中，手术往往取决于医生自己的经验.一般是对患者进行CT或MRI检查来观察肝脏的具体情况，制定手术方案.然而肝脏的组织十分复杂，因此，这种传统的手术方法精度并不高，效率也有所欠缺[1].

隨着计算机技术的不断成熟，医学影像三维重构结合3D打印技术在医学方面的应用日益增多[2-3]，且应用于肝脏方面的研究也日益得到重视.对于肝癌的治疗，医学影像三维重构使得肝脏的血管、病灶等得以直观清晰的显示，这让医生们更容易实现精确肝切除的理想目标，这是一种运用合理的科学理论和技术，提高治疗方案精度和效率的全新手术理念.精准肝切除是在保证手术治疗效果的前提下追求对患者肝脏的损伤最小[4].

目前，肝脏的医学影像三维重构大多采用mimic软件[5-6]，其在肿瘤的供血血管重建等技术方面还有一定的欠缺.本文提出运用Synapse 3D在术前对肝脏进行测量和分割，利用其专利的图像识别引擎技术进行血管自动分割和算法分析，并对肝脏模型进行3D打印，帮助医生方便、快捷地对病灶进行定量分析和制定治疗计划，有效提高诊断准确性和治疗成功率[7-9].

1    方法

1.1   Synapse 3D肝脏的三维重建

选取一名肝右叶肝细胞性肝癌的女性患者.患者的资料：腹部三期增强CT图像，层厚1 mm，100 kV，244 mA（500 ms），选择三期（动脉期，门静脉期和平衡期）图像，进入肝脏分析应用.CT图像如图1所示.

肝脏三维重建步骤：1）用Synapse 3D软件自动提取肝脏，若肝脏没有被完整提取，则进行手动提取，直到肝脏确认被完全提取;2）使用配准将三期图像进行对齐以消除在检查过程中的位移造成的器官错位;3）使用自动识别功能依次对下腔静脉，肝动脉，门静脉，肝静脉进行识别和提取;4）使用占位功能，画出肿瘤的最大直径，将肿瘤自动提取，并用修改功能标记出肿瘤边界，将肿瘤提取完整;5）使用组织生长功能勾画胆囊以及肝外胆管，可提取出胆囊;6）对重建的三维模型进行观察，可在器官列表中让器官显示、半透明、隐藏处理，使得更好对肝脏模型进行观察.

1.2   肝脏体积的测算

在肝切除术中，术后剩余的功能性肝实质不足以维持人体正常的代谢功能而导致的器质性衰竭是患者手术后死亡的最主要原因[10-11].因此，切除部分（病灶）和剩余部分的体积是探究的一个重点.为了进行手术规划，使用流域分析功能，根据肿瘤所在的门静脉分支，得到肿瘤流域（P5、P6、P7、P8d）的体积以及所占百分比，此为切除部分，剩下的则是保留部分.同样，其他各部分的体积也可计算出来[12]，如图2所示.

最后测量出患者肝脏实质的总体积为              1 001 mL，肿瘤的大小为402 mL，位于肝右叶，病灶相对较大.预计切除部分的肝脏实质体积为   495 mL，加上肿瘤总共切除体积为897 mL，剩余肝脏实质体积为506 mL，剩余肝脏实质体积满足手术的要求，可以进行手术.

1.3   肝脏模型的3D打印

在进行肝脏模型的3D打印前需对模型进行处理.将三维重建好的患者肝脏三维模型导入Materialise Magics 22.0中，如图3所示，其中：肝动脉（artery）不影响手术方案，将其隐藏;剩余肝脏实质（liver）、下腔静脉（IVC）、胆囊（gallbladder）为手术需要保留的部分;而肿瘤（high tumor）、切除肝脏实质（P5、P6、P7、P8d）为手术需要切除的部分;门静脉（potal）、肝静脉（vein）、囊肿（low tumor）分为切除部分和保留部分.因此，将liver、IVC、gallbladder作为一个整体，分别与potal、vein、low tumor进行布尔交集运算，得到potal、vein、low tumor的保留部分;将high tumor、P5、P6、P7、P8d作为一个整体，分别与potal、vein、low tumor进行布尔交集运算，得到potal、vein、low tumor的切除部分.把整个模型的各个部分之间分别进行布尔差集运算，消除它们之间所存在的干涉，为接下来的3D打印做好准备.把手术要保留的部分和要切除的部分分别保存为2个stl文件.

将保存的2个文件分别导入切片软件中，把2个模型置于打印平面当中，并通过调整位置使2个部分相离.旋转模型，调至适合，使支撑所用材料较少.为了节省材料、缩小打印时间，将模型按      1∶0.5进行缩放.调整模型的颜色，为了让肝脏内部的情况能够更好显现，把剩余的肝脏实质设置为完全透明的颜色，而血管之间为了能够互相区别，设置为不同的颜色加以区分，其中IVC设置为蓝色，potal设置为粉红，vein设置为淡蓝.切除的肝脏实质部分P5、P6、P7、P8d颜色接近全透明，加以不同的浅颜色区分.肿瘤使用黄色、胆使用绿色.如图4所示.

调整好打印设置后进行切片，连接到彩色打印机即可开始打印，打印过程大约为8 h，待到打印完成，将模型取出进行后处理：去除支撑部分，将模型进行打磨，表面涂上光油，使模型看起来更加通透，让里面的血管等部分能够清晰可见.最终打印出来的模型如图5所示.

2    手术结果

2.1   进行手术

外科医生根据三维模型的图像信息即可确定出需要切除的部分，制定出精准肝切除的手术方案，在3D打印模型的直观显现下，外科医生在手术时得到了更好的引导，手术最终顺利进行，病人在术后恢复顺利.3D模型协助手术如图6所示.

2.2   实物与模型对比

将手术切除出来的病灶部分实物与打印出来的模型进行对比，如图7所示，可以看出离体肝脏标本与模型基本一致，这表明3D打印的模型符合实际情况，能正确引导手术的顺利进行.

2.3   离体肝脏标本体积测量

由于进行手术后肝脏出血，因此，预估实物体积会比仿真体积有所减小[13].运用水测法[14]对实物进行体积测量：由于肝脏的密度与水的密度比较相近，因此，水测法通过测量肝脏的排水体积可以测算出肝脏的自身体积.通过手术切除的肝脏标本需快速用保鲜膜包裹创面，并尽快对离体肝脏标本进行测量.具体测量方法：将离体肝脏标本放入装有水的量筒内，使水漫过标本，测出前后的水位差.

测量结果如图8所示，量筒原有水的体积为400 mL，加入肝脏标本后的体积为1 010 mL，可以计算出肝脏标本的体积为610 mL，由于出血，和仿真结果的体积897 mL相比有所缩小，符合前期预估.

3    结论

本文通过Synapse 3D软件对患者的肝脏CT图像进行三维重构，并对肝脏实质的切除部分和保留部分进行了体积测量;然后将三维重构的模型进行3D打印，帮助医生制定肝切除的手术方案，引导医生在手术中的操作;最后，用水测法测量离体肝脏标本的体积，发现与仿真测量的体积相比有微量缩小，符合逻辑，说明仿真测量体积的准确性.医学影像三维重构对术前的方案定制、术中进行操作以及术后进行评估都有帮助，而进行肝脏的3D打印能实时引导肿瘤病灶的切除，提高手术的准确性，因此，三维重构结合3D打印能够优势互补，有利于进行精准肝切除手术.

参考文献

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[13]   宗子健.CT肝脏体积测量在肝癌切除术及肝硬化患者Child-Pugh分级中的应用价值[D].长春：吉林大学，2015.

[14]   张健飞.肝右叶体积测量及肝裂定位的临床解剖学研究[D].大连：大连医科大学，2015.

Application of 3D visualization and 3D printing in

precise hepatectomy

SHANG Boshi1， SHI Guanglin*1， XU Honglai2， XIAO Min2， GAO Cong3， LIANG Xiaodi1，

WANG Guangzheng1

（1.School of Mechanical and Traffic Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2. Liuzhou People's Hospital， Liuzhou 545006， China; 3. Liuzhou Xinding Technology Co.， Ltd.， Liuzhou 545000， China）

Abstract： A CT image of a woman's liver from the right hepatocellular carcinoma lobe was processed in Synapse 3D to create a three dimensional reconstruction of the liver model to make the hepatectomy more accurate， measure the volume of the liver that needs to be removed and retained， and better       formulate the concrete plan for the operation. Then the area to be removed was then analyzed based on the  location of the blood vessels and the tumor. Two parts of the liver were printed by 3D printing           technology according to the three-dimensional model of the liver. The results show that The              hepatectomy was carried out successfully. The solid part of the hepatectomy was similar to the 3D  printing model.

Key words： liver; three dimensional reconstruction of medical image; 3D printing; precise hepatectomy; volume measurement

（責任编辑：黎    娅）