研究背景：肝移植术后缺血型胆道病变(ischemic-type biliary lesions, ITBL)、肝外胆管出血、损伤性胆管狭窄和胆道吻合口瘘发生均与胆管血运的破坏相关联。国内外针对肝外胆管血供的研究主要在尸体及动物模型上进行,并且供给肝外胆管血液的动脉均为腹腔动脉各分支的终末支血管,具有来源多、分布复杂和变异情况多的特点。因此,若能在术前获取、构建忠实于患者实际解剖的个体化肝外胆管血供三维立体模型,深刻了解活人体生理及病理情况下肝外胆管血供来源及分布的特点,可为临床胆道外科手术方案的合理选择及术后胆道并发症的预防提供个体化形态学依据。亚毫米CT的出现和快速发展突破了活人体精细数据获取的瓶颈,基于CT断层图像的数字化三维重建技术在医学上的应用,使活人体肝外胆管血供三维可视化成为可能。医学图像三维可视化技术可将二维的断层图像转变为具有直观立体效果的图像,展现人体器官的三维结构形态,从而提供若干传统手法无法获得的解剖信息,不仅解决了尸体解剖标本价格昂贵和来源匮乏的不足,而且为临床外科操作提供更加真实准确的解剖学指导。其中高质量CT图像数据和精细分割技术则是医学图像处理和分析中的关键技术。目前国内外的三维可视化软件在图像分割方法上多采用在二维CT图像上选取种子点的区域生长法。这种算法要求三维临近点要符合生长阈值要求,因此,只要在生长过程中有一步不符合生长条件,就立即停止生长,造成分割断裂,从而使得很多组织分割不完整、不精细,特别是管径较小的血管分割提取不出来,对不少应用场合产生不利影响。除此之外,在二维图像上选取种子点,用户对解剖知识要求高,往往选不到理想的种子点,从而影响了分割的效果。基于上述问题,本课题基于高质量亚毫米CT数据,攻关研究基于体绘制交互的分割新方法,改变传统三维可视化软件不能对微细管道进行分割提取的缺陷,并将新的分割算法作为一个插件整合到具有自主知识产权的腹部医学图像三维可视化系统(Medical Image Three-Dimensional Visualization System, MI-3DVS)(软件专利号：2008SR18798),程序化构建活人体数字化肝外胆管血供3D模型,并根据肝外胆管血供的来源、分布特点进行数字化分型,探讨其在肝外胆管梗阻性疾病手术决策中的应用价值。一基于亚毫米CT扫描数据的肝外胆管供血动脉三维可视化模型的构建目的：1.优化CT数据采集方法,获取高质量肝外胆管血供亚毫米CT数据；2.研究基于体绘制交互的分割新算法,构建活人体肝外胆管血供3D模型；3.研究数字化肝外胆管血供三维重建模型图像与传统解剖学图像,对数字化肝外胆管血供3D模型与传统解剖学图像进行比较研究。方法：1.研究对象：受检者10名,其中男性7例,女性3例；年龄36-62岁,平均43.2岁。2.数据采集设备：(1)64层螺旋CT-PHILIPS Brilliance64(荷兰PHILIPS公司)；双筒高压注射器及造影剂(碘比乐370mgI/ml)。(2)图像后处理工作站为PHILIPS Brilliance64层螺旋CT自带的Mxview工作站；(3)南方医科大学数字医学临床中心HP刀片式服务器、高配置计算机；(4)腹部医学图像三维可视化系统；3.高质量肝外胆管血供亚毫米CT数据采集方法：(1)扫描前准备：扫描前20-30min口服500-1000m清水充盈胃肠道,扫描前立即喝清水500ml,以充盈胃肠道。(2)平扫：常规平扫时患者取仰卧位,头足方向,由膈顶至肾下极,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,采用0.625×64排探测器组合,扫描视野60-70cm,矩阵512×512。(3)CTA扫描采用试验注射法(小剂量预注射法)。(4)常规增强扫描：CTA扫描结束后,于注射对造影剂开始后30-35s行动脉晚期扫描,50-55s行门静脉期扫描,每期扫描时间约6-8s。(5)CT薄层扫描数据的传送及储存：在Mxview工作站进行CT断面图像数据薄层重建(0.625mm),格式为DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine)3.0,然后通过内部专线网络传输至南方医科大学数字医学临床中心HP刀片式服务器并存盘导出。4.肝外胆管血供3D模型构建方法：(1)基于体绘制交互的图像分割算法：先进行体绘制重建,通过窗宽和窗位调节,得到所需组织最清晰的三维图像,直接在体绘制图像上取得三维种子点,进行区域生长,同时在体绘制图像上显示生长的过程,当生长停止时可以通过人机交互,在体绘制三维图像上进行修补。特别对于微细血管,通过局部放大,并对断续小血管进行连接,再进行分割,可以把局部小血管提取出来。使得组织分割,特别对血管分割更精细,达到与体绘制相同的分辨率水平。当用户满意当前分割结果时可以立即将当前的分割结果保存,并进行快速的面绘制三维重建。(2)把基于体绘制交互的分割算法作为一个分割插件整合到腹部医学图像三维可视化系统(MI-3DVS)中,将DICOM格式的亚毫米CT数据导入到MI-3DVS中进行配准、分割、三维重建。①血管三维重建：使用基于体绘制交互的分割算法完成对亚毫米CT断层图像中的血管数据分割,采用面绘制方法进行脏器三维重建。②胆道、胰腺等腹腔脏器重建：使用区域生长法完成分割,采用面绘制方法进行脏器三维重建。(3)3D模型的后处理及立体结构观察分析通过MI-3DVS中的面数据图形处理工具对3D模型进行平滑和去噪,然后将肝外胆管血供3D模型在空间上组合和显示,通过放大、缩小、旋转可视化3D模型来观察、分析肝外胆管供血动脉起源和分布特点。5.与传统的解剖学图像进行对比分析：采用基于亚毫米CT数据的肝外胆管血供三维可视化模型图像,与传统的解剖学素描图像进行对比分析。结果：1.使用试验注射法采集的亚毫米CT数据图像质量高,胆道系统、肝外胆管周围动脉、胰腺及壶腹周围病变显示清晰。2.肝外胆管血供的3D模型立体感强,可多方位自由旋转,能清晰显示肝外胆管血供的来源及分布特点,上段肝外胆管血供来源包括肝右动脉、胆囊动脉、肝左动脉和肝固有动脉；下段肝外胆管血供来源包括胰十二指肠上后动脉、胃十二指肠动脉、胆囊动脉和门静脉后动脉。3.肝外胆管血供3D模型真实,立体感强,可以从不同角度进行三维空间的解剖关系观察；传统素描解剖学图谱只能显示平面的解剖结构,表现手法单一,但其可根据手术显微镜所观察的尸体标本灌注情况,还原绘制胆管周围动脉丛等3D模型无法显示的血管。结论：1.采集方法优化后的64层螺旋CT可以获得高质量的肝外胆管血供亚毫米CT数据,各脉管系统显影良好,能够区分出微细结构的影像学特征,能满足肝外胆管供血动脉分割、三维重建的要求。2.基于体绘制交互的分割方法能够对肝外胆管供血小动脉进行分割、提取；使用MI-3DVS重建的3D模型能够真实反映患者肝外胆管及供血动脉立体解剖结构。3.三维重建图像更为真实直观,更加便于学习和理解,虚拟重建图像形象逼真,能真实还原组织器官结构的本来面貌,是解剖学研究和学习的新途径。二胆道梗阻性疾病肝外胆管血供三维可视化及临床应用研究目的：1.研究胆道梗阻患者肝外胆管血供分布特点并进行分型；2.研究肝外胆管血供3D模型在肝外胆管梗阻性疾病手术决策中的应用价值。方法：1.研究对象：2012年1月至2012年12月南方医科大学珠江医院肝外胆管梗阻性疾病患者41例,其中男25例,女16例；年龄31～81岁,平均年龄46.3岁；肝外胆管平均直径24.3±5.1mm (16-34mm)。临床诊断：胆道结石15例,胆总管下端炎性狭窄5例,胰头部或壶腹周围肿瘤21例。2.数据采集设备同第一部分。3.亚毫米CT数据收集方法同第一部分。4.肝外胆管血供数据分割及三维重建方法同第一部分。5.根据胆囊管汇入肝外胆管位置将肝外胆管分成上、下段,依据3D模型中肝外胆管血供来源及分布的特点进行数字化分型：上段肝外胆管血供分为2型,Ⅰ型为肝右动脉供血型,再根据是否联合其他动脉供血分出3个亚型；Ⅱ型为肝左动脉联合胆囊动脉供血型。下段肝外胆管血供分成3型,Ⅰ型为胰十二指肠上后动脉供血型,再根据是否联合其他动脉供血分出3个亚型；Ⅱ型为胃十二指肠动脉及主要支供血型(胰十二指肠上后动脉除外)；Ⅲ型为起源于胃十二指肠动脉的胆囊动脉供血型。6.术式决策及手术效果评价：术前通过对41例患者肝外胆管血供3D模型进行三维可视化观察,详细了解肝外胆管血供来源及分布特点,并进行术前规划,包括术中胆总管切开位置、胆肠吻合方式及胆总管横断位置的选择。术后观察并记录并发症发生情况,主要包括有无胆道狭窄、胆肠吻合口狭窄、胆瘘、胆道出血等。结果：1.采集的肝外胆管血供亚毫米CT数据图像质量高,胆道系统、肝外胆管周围动脉、胰腺及壶腹周围病变显示清晰。2.41例肝外胆管血供3D模型完全忠实于患者实际解剖特点,清楚显示个体化肝外胆管血供的起源、走行、分布及变异情况,同时还可以立体显示胆道结石、肿瘤与周围脏器及血管的立体解剖关系。3.分别按照上、下段肝外胆管血供特点进行数字化分型：41例患者上段肝外胆管血供IA型6例,占14.6%；IB型17例,占41.5%；IC型12例,占29.3%；Ⅱ型6例,占14.6%。41例下段肝外胆管血供IA型13例,占31.7%；IB型13例,占31.7%；IC型4例,占9.8%；Ⅱ型7例,占17.0%；Ⅲ型4例,占9.8%。4.41例均顺利行手术治疗,手术方式包括胆总管切开取石术15例,胆管空肠端侧吻合术22例(其中胰十二指肠切除术21例),保留十二指肠的胰头切除术1例,胆管空肠侧侧吻合术3例。术中胆道手术方式与术前规划完全符合。术中所见肝外胆管形态,肝外胆管血供走行情况、肝动脉变异情况,结石分布、肿瘤与血管毗邻关系均与术前3D模型相符。全组无术中及术后胆道出血、术后胆瘘发生,全组病人随访3-15个月,无肝外胆管狭窄、胆肠吻合口狭窄发生。结论：1.数字化肝外胆管血供分型有助于对上、下段肝外胆管血供类型进行正确诊断,并根据手术主要操作的肝外胆管部位进行术前评估,合理选择手术方式。2.肝外胆管血供三维可视化模型可以真实反映肝外胆管梗阻患者的个体化肝外胆管血供特点,为胆道手术方案的制定提供详实的胆管血供信息,可以指导术中胆总管切开位置、胆肠吻合方式及胆总管横断位置的选择,增加手术成功率,减少术后胆道并发症的发生。三三维可视化技术在胰十二指肠切除术合并肝动脉变异诊治中的应用目的：研究腹部医学图像三维可视化系统(MI-3DVS)在胰十二指肠切除术合并肝动脉变异患者诊治决策中的价值。方法：1.研究对象：2010年1月至2012年7月南方医科大学珠江医院和第三军医大学西南医院114例成功行胰十二指肠切除术的胰头或壶腹周围肿瘤患者。2.亚毫米CT数据采集设备及3D重建方法同第二部分,21例CTA扫描采用试验注射法,93例CTA扫描采用团注追踪法。3.手术方法及手术效果评价：术前通过对3D模型进行多角度旋转观察,详细了解变异肝动脉情况,并结合病史资料进行诊断及肿瘤可切除性评估,制定详细手术方案。并对变异肝动脉起始部至肠系膜上动脉起始部的距离进行测量,最后与术中探查结果和术后腹腔动脉DSA结果相对照。术后观察并记录并发症发生情况,包括有无肝脓肿、肝功能不全、胆肠吻合口瘘、胰瘘、腹腔出血、消化道出血等。结果：1.腹部脏器3D模型可清楚显示肿瘤的大小及形态、血管的起源及走行、肿瘤与脏器及血管的立体解剖关系,共发现变异肝动脉14例(12.3%,14/114),包括替代肝右动脉起自肠系膜上动脉者9例(7.9%,9/114),替代肝总动脉起自肠系膜上动脉3例(2.6%,3/114),替代肝左动脉起自胃左动脉2例(1.8%,2/114),其中2例替代肝右动脉经过胰头组织实质,但无肿瘤浸润。3D模型中测量12例起源于肠系膜上动脉的变异肝动脉起始部至SMA起始部距离为15.3-38.8mm,平均25.9+6.9mm。2.14例肝动脉变异患者均行标准的胰十二指肠切除术,和术中探查及术后DSA检查对比,MI-3DVS对变异肝动脉诊断的敏感度、特异度和准确率均为100%。MI-3DVS指导下的术前规划与术中探查结果均符合。14例肝动脉变异患者无围手术期死亡,术后无肝脓肿、胆瘘、肝功能衰竭等并发症发生。结论：MI-3DVS可以在胰十二指肠切除术前对变异肝动脉做出准确诊断,对个体化手术方案的制定提供详实的术前指导,能够增加手术成功率,减少术后并发症的发生。