胰腺肿瘤患者胰周血管三维重建及可视化仿真手术研究

摘要

研究背景：
　　 胰腺癌起病较为隐匿、具有早期转移的生物学特征，患者出现临床症状往往已是肿瘤晚期，对其手术切除困难、预后差、病死率高，使其被称为“癌中之王”。据不完全统计，在全球范围内胰腺肿瘤居恶性肿瘤死亡率的第四位;在我国，也是死亡率最高的十大恶性肿瘤之一。胰腺肿瘤的诊断:目前对临床怀疑胰腺肿瘤的患者多采用传统诊断方式，如:血清学肿瘤标记物(CA199)、超声、CT、MRI等，其中血清学肿瘤标记物(CA199)、超声由于自身缺陷(CA199敏感性高，特异性较低，超生诊断敏感性低。)往往无法作为胰腺肿瘤诊断的最佳手段。且由于胰腺自身“乏血供”的生物学特性，在胰腺肿瘤的诊断方面，使基于血管造影技术的传统影像学检查手段（CT、MRI）对其敏感性不高，常常因为影像学特征不典型、胰腺血管影像再现缺陷等原因被医师忽视或错误的诊断为不可切除的恶性肿瘤，许多患者因而延误了病情，错失手术机会。有文献统计，由于缺乏有效的早期诊断方法，且胰腺癌恶性程度高早期极易发生转移，仅有10％的患者在诊断时有手术条件。胰腺肿瘤的治疗:目前唯一可能根治胰腺肿瘤的方法是手术切除肿瘤。第一台胰腺肿瘤切除术至今，胰腺肿瘤切除术已在国内各大医院广泛开展，救治了无数患者的生命。但传统的手术方式多需合并切除胰腺周围脏器，而使其成为腹部外科创伤大、风险高、疗程长、并发症多的手术之一。近十年来，随着各种检查技术的不断发展，胰腺肿瘤得到及早诊断和治疗成为可能。外科手术“个体化”、“微创化”概念也相继提出，依据不同患者不同胰周血管走形选择恰当的术式，降低手术创伤已成为胰腺外科医师面临的重要问题。
　　 本课题研究旨在通过术前获取高质量个体胰腺及胰周血管数据（具体CT扫描设备及扫描参数选择可参见文献，在此基础上应用国内自主研发的腹部医学图像可视化系统(MI-3 DVS)对胰腺肿瘤患者进行术前三维重建及仿真手术，运用最大密度投影法(MIP)重建胰腺及肿瘤直接供血动脉和引流静脉，通过该技术对重建的个体化胰腺、胰周血管及胰腺肿瘤进行全方位，立体观察，掌握胰腺血管走形，位置，胰腺肿瘤性质、大小、部位等信息，对患者进行术前诊断及可切除性评估，从而制定满足个体差异性手术方式，达到减少手术打击，降低手术风险，提高手术切除率的目的。
　　 目的：
　　 1.采集胰腺、胰周血管及胰腺肿瘤高质量亚毫米CT数据;
　　 2.探索一种基于MI-3DVS的胰周血管及胰腺肿瘤三维重建技术;
　　 3.研究基于MI-3DVS的胰周血管及胰腺肿瘤的术前可切除性评估与仿真手术的临床应用价值。
　　 方法：
　　 1.材料及数据采集
　　 1.1研究设备:(1)64层螺旋CT(Philips Brilliance);(2) MxLiteView DICOMViewer13.0软件购自荷兰Philips公司;(3)影像诊断软件（自行研制的医学图像处理软件）及3D工作站;(4) FreeForm Modeling System平台及其自带的PHANTOM设备;(5)HP刀片式服务器;(6)药品:德国拜耳公司:优维显(300 mg I/ml);(7)个人电脑:CPU:2×Xeon2.8 GHz;操作处理系统:windows7;内存:2×DDR34001.0G;显卡:Quadro FX2000(8)移动硬盘:西部数据/500G。
　　 1.2 CT数据收集:患者取仰卧位，头足方向，由膈顶至肝脏下缘常规平扫（根据需要可适当增加扫描范围），扫描条件120 kV、200-400 nlAs;采用0.625×64层探测器组合，层厚5mm，间隔5mm，矩阵512×512，螺距0.984，球管旋转1周时问0.5S。动脉期扫描延时20-25 S，J、J静脉期延时50～55 S。收集平扫和增强扫描（动脉期和门静脉期）数据，将其传至Mxview工作站进行三维重建。
　　 1.3药品:德国拜耳公司:优维显(300 mg I/ml)
　　 2.研究对象:
　　 收集2010年2月至2012年12月期间于我院行上腹部64排螺旋CT增强扫描检查的60例胰腺肿瘤患者图像数据资料，全部患者行腹部三维重建，男性36例，女性24例，年龄21-77岁，平均61.3岁，所有患者腹部CT扫描数图像层厚均分割至1cm。并运用腹部医学图像三维可视化系统（MI-3DVS）对其中60例患者进行腹腔脏器三维重建。
　　 3.胰腺及胰周血管高质量亚毫米数据的采集:见参考文献(64层螺旋CT对胰周血管的显示研究，[J]中华内分泌外科杂志，2009，02(03):46-50.)
　　 4.CT图像数据三维重建
　　 患者个人CT数据导入合作开发的第二代腹部医学图像三维可视化系统(MI-3DVS)进行程序化分割重建。打开该软件主程序页面，通过直接对原始格式为DICOM的CT数据进行提取，阅读，最大限度的保留患者CT包含的原始信息。利用该软件对腹腔大血管及胰周小血管采用阈值分割法，对腹腔脏器采用区域生长法分别进行三维建模。建模完毕后可得到患者腹部脏器及血管的初步三维重建数据，以STL格式对重建数据进行保存并导入腹部医学图像三维可视化系统（MI-3DVS）的FreeForm Modeling System及其自带的PHANTOM设备中，应用该设备进行自动配准、配色、平滑和修饰等后处理，再将各个脏器模型在空间上自动组合显示，从而达到腹腔脏器、胰腺肿瘤及胰周血管三维重建模型的建立。
　　 5.三维重建对胰周血管、腹腔脏器及胰腺肿瘤的诊断及可切除性评估
　　 术前依据CT数据对胰腺肿瘤患者进行个体化三维重建并建立相应三维模型，将三维重建后患者的腹腔血管、脏器及肿瘤模型进行自由旋转、拆分、透、明化等操作，统计胰周及腹腔大血管的显示率、走形情况、有无分支及结构性变异等。根据重建后三维模型显示肿瘤与毗邻脏器的形状及位置关系，对患者进行胰腺肿瘤可切除性判定，具体评估标准可参见中华医学会外科分会胰腺外科学组制定的《胰腺癌诊治指南》。根据患者个体化腹腔大血管及胰周血管与腹腔肿瘤的关系，立体观察肿瘤及血管形态、滋养血供、有无分支及变异等，依据三维重建结果为患者选择适宜的个体化胰腺肿瘤根治术，以达到减少手术打击，降低手术风险，提高手术切除率的目的。
　　 6.术前仿真手术:
　　 将重建出的患者腹部脏器及胰腺肿瘤模型导入FreeForm Modeling System及其自带的PHANTOM设备中，利用交互式力反馈设备PHANTOM和本研究团队自行开发设计的虚拟仿真手术器械在FreeForm Modeling System中对患者三维重建模型进行术前仿真演练，模拟胰腺肿瘤切除全过程，成功完成手术切割、结扎、缝合等操作。通过多种仿真手术方式的模拟和比较确定最终手术方案，以达到解剖数字化、手术可视化的目的，最大限度减少实际术中风险及术后并发症的发生。
　　 7.实际手术操作:
　　 对所有评估可切除和可能切除的肿瘤由经验丰富的胰腺外科医师行手术探查及切除并全程录像，记录术中实际情况;依据术前三维重建结果制定的手术方案进行胰腺肿瘤切除，术中切缘送冰冻切片检查，术后标本送病理检查。
　　 8.数据处理:
　　 将手术标本送病理检查。将实际手术结果与术前诊断和可切除性评估结果进行对照，同时统计行手术治疗的三维重建组患者在平均年龄、手术时间、出血量、住院时间、肿瘤均最大截面积、术后并发症发生率（胰瘘、吻合口瘘、腹腔内出血、腹腔脓肿等）等方面的数据，与我院未行三维重建及仿真手术的29例同类病例进行比较。采用SPSS13.0对数据进行统计分析，统计推断用两独立样本的T检验。P＜0.05为差异有统计学意义。
　　 结果：
　　 1.腹腔脏器、胰周血管及胰腺肿瘤高质量亚毫米CT数据的采集情况
　　 所有60例胰腺肿瘤患者均成功完成上腹部薄层CT多期增强扫描，后进行薄层处理，层厚为0.625m。60例患者中男性36例，女性24例，年龄21-77岁，平均61.3岁。采集的CT图像数据均可清晰显示胰周主要动静脉、腹腔大血管及胰腺肿瘤情况，清晰显示血管走形，较传统单层CT扫描图像更为清晰、准确，满足了胰腺及胰周血管重建的要求。
　　 2.完成对胰腺、胰腺占位、胰周及腹腔大血管的个体化三维重建
　　 通过MI-3DVS对其中60例患者的胰腺、胰腺占位、胰周及腹腔大血管进行三维重建，重建的胰腺、胰周大血管(腹腔干动脉(CTA)、肝总动脉(CHA)、肝固有动脉(PHA)、脾动脉(SA)、胃十二指肠动脉(GDA)、胃网膜右动脉(RGEA)、肠系膜上动脉(SMA)、门静脉(PV)、脾静脉(SV)、肠系膜上静脉(SMV))及病灶显示率为100％。对三维模型进行全面、立体观察，胰腺、腹腔大血管及肿瘤均显示逼真、清晰、可以清楚的了解胰头部血管与肿瘤及其周围正常组织的形态、范围，走形、有无变异情况、胰周、腹腔大血管分支的毗邻关系及肿瘤是否对血管形成推挤、压迫、侵犯等常规二维影像学检查不宜观察的指标。
　　 3.完成对胰周动脉血管及变异情况的个体化三维重建:
　　 行CT检查的60胰腺肿瘤患者，胰周动脉显示清晰，依据CT扫描结果进行活人体个体化三维重建，重建包括胰十二指肠上前(ASPDA)、上后(PSPDA)动脉，胰十二指肠下前(AIPDA)、下后(PIPDA)动脉，胰背动脉(DPA)等胰周动脉;胰十二指肠上前、上后、下前、下后动脉显示率:胰十二指肠上前动脉44例(73.3％);上后动脉49例(81.7％);胰十二指肠下前动脉41例(68.3％)，下后动脉37例(61.7％);12例患者可见胰十二指肠上前、上后动脉于胃十二指肠动脉同时发出;29例患者胰十二指肠上后动脉先于胃十二指肠动脉发出，而后胰十二指肠上前动脉亦从胃十二指肠动脉发出;25例患者胰十二指肠下前，下后动脉同时发自位于肠系膜上动脉的胰十二指肠下动脉;11例患者胰十二指肠下前、下后动脉分别发自肠系膜上动脉。5例患者胰头动脉弓距十二指肠降部较远，靠近胰颈部右侧缘入胰腺。55例患者三维重建可见胰背动脉，其中26例起自脾动脉，21例起自肝总动脉，6例起自腹腔干，另有2例起自肠系膜上动脉;14例患者胰腺上缘可见胰头上缘支，起自胃十二指肠动脉，向左移行与胰背动脉相连;
　　 1.完成对胰周静脉血管及变异情况的个体化三维重建:
　　 对60例行CT检查的患者行胰周静脉三维重建，并对胰周静脉系统单独进行自由旋转，立体观察，11例患者可显示由起自胃网膜右静脉的胰十二指肠上前、下前静脉和起自肠系膜上静脉主干的胰十二指肠上后、下后静脉相互吻合形成的胰头部完整动脉弓。三维重建对60例胰腺肿瘤患者胰十二指肠上前、下前、上后、下后静脉显示分别为11例、33例、26例、31例。6例胰腺肿瘤患者肿瘤压迫门静脉或肠系膜上静脉，造成胰周静脉回流不畅，三维重建可见胰周血管如胃网膜右静脉广泛曲张。
　　 2.对三维重建的胰腺肿瘤患者进行仿真手术:
　　 在FreeForm Modeling System中，通过力反馈设备PHANTOM和虚拟手术器械可方便地对重建模型进行各种类型的仿真手术，包括胰十二指肠切除术、胰腺中段切除术、保留脾脏的胰体尾切除术等。可视化仿真手术观察肿瘤与门静脉主干、脾静脉、肠系膜上静脉的解剖关系，避免真实手术中损伤;了解腹腔动脉变异患者肝总动脉及胃十二指肠动脉的其实部位、走形，避免术中损伤肝动脉;还可以对存在血管变异情况的三维重建患者进行术前评估与术式选择，通过多个手术方案的优化筛选确定最佳手术方案，指导规范化治疗。
　　 3.手术结果:
　　 两组均无手术死亡病例。两组年龄、肿瘤大小差异无统计学意义(均P＞0.05)。三维重建组术中出血量及手术时间明显少于常规组(分别为P＜0.05，P＜0.01)。常规组住院时间及术后并发症略多于三维重建组，但差异无统计学意义。
　　 结论：
　　 1.成功完成胰腺、胰周血管及胰腺肿瘤患者高质量亚毫米图像数据的收集。
　　 2.胰周血管重建可显示胰周血管的形态变化、正常走形及变异情况，较传统CT更为直观、精确、可靠，有助于胰腺肿瘤切除术术式的选择。
　　 3.基于MI-3DVS的仿真手术对胰腺肿瘤术式选择可以有效降低手术风险，提高手术切除率。

目录

摘要

前言

引言

材料与方法

1．1 研究对象

1．2 研究材料

1．3 研究方法

研究结果

2．1 胰腺肿瘤及周围血管高质量亚毫米CT数据的采集情况

2．2 基于64排螺旋CT扫描数据的三维重建

3．3 胰周动脉的三维重建解剖及变异情况

3．4 胰周静脉的三维重建解剖及变异情况

3．5 胰腺肿瘤患者CT及三维重建结果

3．6 三维重建显示胰周动脉与胰腺及十二指肠的关系

3．7 仿真手术结果

3．8 典型病例

3．9 手术结果

讨论

4．1 胰周血管解剖结构及变异

4．2 可视化胰周血管模型的意义

4．3 应用MI-3DVS系统重建胰腺肿瘤及胰周血管变异模型对临床教学的价值

4．4 针对胰腺肿瘤手术的传统影像学检查与MI-3DVS三维重建的差异

4．5 MI-3DVS重建胰周动脉对胰腺手术的意义

4．6 MI-3DVS重建胰周静脉对胰腺手术的意义

4．7 三维重建的优势

参考文献

中英文缩略词对照表

致谢

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