三維可視化技術在肝膽外科臨床應用的爭議與共識

三維可視化技術在肝膽外科臨床應用的

爭議與共識

范應方，方馳華

中國實用外科雜誌,2018,38(2):137-141

摘要

三維可視化技術已經成為肝膽外科疾病的術前診斷及評估、手術規劃制定，術中指導、術後評估的重要工具，極大推動了肝膽外科疾病的精準診療水平。與CT和MRI自帶圖像後處理技術比較，三維可視化技術在圖像三維重建和圖像顯示的方法步驟等方面均存在不同。CT和MRI的圖像後處理軟體採用多層面重組（MPR）、曲面重組（CPR）、容積再現技術（VRT）、多層面容積重組（MPVR）、表面陰影顯示（SSD）、模擬內鏡（VE）等技術對原始二維圖像進行重組和二維顯示，不涉及原始數據的預處理，圖像顯示技術為二維顯像。而三維可視化技術經過對原始DICOM數據的預處理、圖像分割、面繪製和體繪製重建等技術對原始二維圖像進行三維重建，圖像顯示技術為三維可視化。兩者均是對原始二維圖像的二次處理和顯示，存在一定程度的圖像失真。三維可視化技術在肝膽外科疾病的定性診斷方面雖無優勢，但在定位診斷、術前手術方案制定、提高手術成功率和預後等方面優於CT和MRI自帶的圖像後處理技術。外科醫生應該根據疾病診療的臨床需求選擇合適的三維可視化軟體。三維可視化技術開創了三維影像技術診療疾病的新模式，將成為精準外科不可或缺的重要組成部分。

CT、MRI、電子發射計算機斷層顯像（positron emission tomography computedtomography，PET-CT）、超聲（ultrasonography，US）等影像學技術可獲取人體器官組織的二維斷層圖像，是目前疾病診斷的主要方法。臨床醫生利用二維圖像的斷層信息，憑藉經驗在大腦中進行立體重建，來評估病灶的大小、形態和結構以及與周圍組織結構的關係。但對人體組織結構的真實重現依賴個人的臨床經驗和大腦的三維重構能力，人腦三維重建的不確定性也影響了疾病的正確診斷。隨著計算機圖像處理技術的快速發展，醫學圖像三維可視化技術應運而生。通過對人體器官組織及病變部位二維數據的三維重建和可視化顯像，極大地提高了疾病診療的精確性。

隨著三維可視化技術在臨床逐步推廣應用，三維可視化技術從最初的骨科、神經外科、整形外科領域，逐步過渡到肝膽外科領域，成為肝膽外科疾病的術前診斷及評估、手術規劃制定，術中指導、術後評估的重要工具［1-3］。為規範其在肝膽外科領域的應用，國內眾多專家總結臨床應用經驗，撰寫了肝膽外科疾病三維可視化技術臨床應用的系列專家共識［4-7］。但目前針對三維可視化技術的臨床應用效果仍存在諸多爭議，本文針對一些共性問題加以討論。

1

醫學圖像三維可視化的概念

三維重建（three-dimensional reconstruction，3D reconstruction）是對三維物體或者場景圖像描述的一種逆向過程，由二維圖像還原出三維的立體物體或者場景。而醫學圖像三維重建是指利用序列斷層二維圖像，包括二維結構圖像（CT、MRI、US）和二維功能圖像（SPE-CT或PET），經計算機構建出人體組織器官的三維幾何模型，並在計算機屏幕上真實繪製並顯示出來。廣義的醫學圖像三維重建包括圖像的重建技術和重組技術。重建（reconstruction）是指將人體原始容積數據經計算機特定的演算法，如改變圖像矩陣、視野、層厚、間隔等預處理，重建成二維圖像，或對重建二維圖像再次進行分割、配准、三維繪製，再次重建成三維圖像的一種技術。而重組（reformation）是指用CT或MRI等對原始二維圖像數據實施進一步重組處理，以改變圖像的顯示形式或方位，不涉及原始容積數據的處理。可視化（visualization）是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成的圖形或圖像在計算機屏幕上顯示出來，並進行交互處理的方法和技術。醫學圖像三維重建和可視化技術的融合，為醫生提供了逼真的顯示手段和定量分析的工具，可以更好地顯示二維數據信息，輔助臨床診斷。

2

三維可視化技術在肝膽外科臨床應用現狀

隨著現代精準外科範式的建立，三維重建、虛擬模擬手術和術中精準操作助力肝膽外科向數字化、智能化、精準化、個體化的方向發展。目前，三維可視化可以對目標臟器、病灶和血管等進行可視化立體顯示，通過不同透明度的設置和多角度全方位的觀察，判斷病灶與重要血管、臟器的關係，不僅提高了定位診斷的正確性，也提高了對關鍵解剖結構的測量、體積計算等術前評估的準確性和手術操作的精度和安全性［8-10］。肝臟內部管道系統，肝內外膽道系統及胰周組織等解剖結構複雜、變異多，手術難度大，併發症多。針對複雜肝臟佔位性病變、肝門部膽管癌、複雜肝內外膽管結石以及胰腺佔位性病變等肝膽外科疾病的診斷和治療，三維可視化技術顯示了良好的臨床應用前景［3-7，11-12］。

中華醫學會數字醫學分會、中華醫學會外科學分會和中國研究型醫院學會數字醫學臨床外科專業委員會組織國內外眾多專家，制定了複雜肝癌、肝膽管結石、肝門部膽管癌及胰腺腫瘤三維可視化精準診治等4個專家共識［4-7］。從三維重建所需的高質量原始數據的採集，肝臟、胰腺等實質器官及其腫瘤分割重建，肝臟、肝內血管、膽管、胰周血管的三維可視化模型的建立和分型，肝臟分段及體積計算，各種手術的三維可視化術前評估、術中指導及術後評估等幾方面，全面闡述了三維可視化技術臨床應用的共識和建議。突出了其對術前評估、手術方案設計和手術操作的指導價值。

3

目前存在的問題及爭議

3.1 CT和MRI自帶圖像後處理軟體與第三方三維重建軟體的區別和聯繫 現有CT和MRI均自帶圖像後處理工作站，其圖像後處理軟體即為最初的三維重建軟體。利用圖像後處理軟體，放射科專業技術人員可將原始DICOM數據進行三維重建或重組，輔助臨床診斷。而隨著醫學圖像處理技術的發展，第三方獨立開發的商業化的三維可視化軟體也迅速發展，如Mimics、3D-Doctor、Myrian等軟體均可採用CT、MRI及US的軸點陣圖像進行獨立地三維重建和可視化顯示。有的三維可視化軟體還可以和現有CT和MRI機器無縫連接，如加拿大的 Allegro和荷蘭Nobilee系統，可與不同廠家的CT或MRI機器連接，可望成為CT或MRI機器的自帶圖像處理軟體。而隨著軟體介面的標準化，相信越來越多優秀的第三方商業化軟體會突破現有CT和MRI商家的壟斷，成為這類大型醫療設備的組成部分。目前各種商業化三維可視化軟體功能不一，雖然在圖像分割和可視化顯示方面整體優於CT或MRI自帶的圖像後處理軟體，但其利用的原始數據均為CT或MRI的原始DICOM數據。未來，隨著上述軟體的兼容性和介面的標準化，其三維重建和可視化功能的差異將逐步縮小。

3.2 爭議一：CT和MRI自帶三維重建功能，無須第三方三維重建軟體 儘管現有CT和MRI技術已廣泛應用於疾病的診斷，但是，CT和MRI只能夠提供人體內部的二維切面圖像，經其圖像後處理軟體三維重組的圖像也是二維顯示。第三方三維可視化軟體採用CT和MRI的序列薄層二維圖像，利用三維重建與可視化技術將其重建為具有直觀、立體效果的三維圖像，並進行定性、定量分析，從而提高臨床診斷水平。兩者主要區別如下。

3.2.1 三維重建步驟不同 目前，醫學圖像三維重建主要包括如下步驟［13-14］。（1）圖像數據預處理：包括圖像大小的修改、銳化、平滑、灰度轉變、復原校正等預處理技術，以改善圖像畫質。（2）分割標註：採用基於邊界和基於區域等方法，對目標區域進行精確分割和標註，保證三維重建的精確度。（3）配准融合：配准即尋找一種空間變換，使得兩幅或多幅圖像的對應點達到空間位置和解剖位置的完全一致，配準的結果應該使兩幅圖像上所有的解剖點或至少是具有診斷意義的點都達到匹配。而融合是將同一儀器不同時間段圖像（如CT的動脈期和靜脈期）融合形成新的圖像的過程，或指將不同形式的醫學圖像（如CT與MRI）中圖像的空間解剖信息綜合到一起，形成新的多模態圖像。配準是圖像融合的預處理技術，是圖像融合的先決條件，而圖像融合是圖像配準的最終目的。（4）三維重建：採用面繪製和體繪製及其改進的各種演算法，處理點雲、重建曲面和內部結構，得出器官組織的三維模型。（5）可視化圖像顯示：通過計算機圖像圖形學技術和可視化技術對重建後的圖像進行處理。包括明暗變換、色彩渲染、光照計算和隱藏面消除等，以及旋轉、縮放、平移、拆分等效果。上述各步驟的處理，包括獲取的原始數據質量的好壞，以及各種重建軟體功能的不同，均會影響三維重建的效果。

CT和MRI等圖像的三維重組無需對原始數據進行上述步驟處理，利用自帶的後處理軟體，直接將及其掃描獲得的軸點陣圖像數據進行各種方式的重組，獲得相應的新圖像以二維形式輸出，但通過明暗陰影、灰階處理和色彩渲染及旋轉等技術處理，亦可產生「三維視覺」效果。同樣，原始軸點陣圖像數據的質量和後期重組方法的不同，亦會影響重組圖像的質量。

3.2.2 三維重建方法不同 目前，醫學圖像三維重建的方法主要有兩大類［15-17］：一類是通過幾何單元拼接擬合物體表面來描述物體的三維結構，稱為基於表面的面繪製（surface rendering）；另一類是直接將體素投影到顯示平面的方法，稱為基於體數據的直接體繪製 （volume rendering）。面繪製和體繪製這兩種方法雖然都是對三維數據場的顯示，但由於基本方法不同，體繪製的圖像的質量優於面繪製，但面繪製在交互性能和演算法效率方面優於體繪製。在實際應用中，應根據組織結構的不同特點、觀察目標而選擇面繪製或體繪製重建，或將兩種方法融合應用，以達到最佳的三維重建效果。

現有CT和MRI機器自帶的圖像後處理工作站的軟體，其功能應定義為重組技術，不涉及原始數據的預處理、分割、重建等步驟。這些重組技術包括：多層面重組（multiplanar reformation，MPR）、曲面重組（curved planar reformation，CPR）、容積再現技術（vloume rendering technique，VRT）［或稱容積重組（volume reformation，VR）］、多層面容積重組（multiplanar volume reconstruction，MPVR）、表面陰影顯示（surface shade display，SSD）、模擬內鏡（virtual endoscopy，VE）等［18-19］，而MPVR技術又可分為最大密度投影（maximun intensity projection，MIP）、最小密度投影（minimun intensity projection，MinIP）和平均密度投影（average intensity projection，AIP）三種。其中MRP和CRP為二維重組技術，MPVR、SSD、VRT/VR、VE等可歸類為三維重組技術。

MPR是將橫斷面掃描所得以像素為單位的二維圖像疊加成以體素為單位的三維數進行冠狀位、矢狀位、任意角度斜位的截取，重組後產生新的二維斷層圖像。MPR顯示結果並非真實的三維立體結構，難以表達複雜的空間結構，容易造成假陽性。CRP是在某一個維度上選擇特定的曲線路徑，將該路徑上的所有體素在同一平面上進行顯示，用於將扭曲的的管狀結構伸展拉直並在同一平面上完整顯示。同樣，CPR所顯示的不是正常的解剖結構和立體空間關係，其圖像以二維圖像形式顯示。MPVR是將任意方位的一組層面或一個厚片的容積數據進行重建和二維顯示。MIP是將一定厚度中最大CT值（CT掃描）或信號（MRI掃描）的體素投影到背景平面上，以顯示所有或部分的強化密度高的血管和（或）器官，如骨骼、強化明顯的軟組織腫塊、注射造影劑後的血管系統（冠脈血管、腹腔動脈血管系統、腹腔門靜脈系統）和高信號的膽道系統（磁共振胰膽管成像，MRCP）等。MinIP與MIP相反，採用最小CT值或MRI信號投射到背景平面上，以顯示低密度或信號組織，主要用於含氣體的低密度的胃腸道或支氣管的重建，偶爾也用於擴張膽管的顯示。而AIP採用平均密度，因組織解析度低，臨床現已少用。SSD採用像素閾值的方法對器官組織的表面數據進行平滑處理，其圖像可顯示空間結構複雜的器官外表面形態輪廓，常用於體表骨骼系統、空腔結構、腹腔臟器和腫瘤的顯示。VRT/VR將多個平面內所有體素設定為不同透明度，利用虛擬光源照射產生不同的灰階或渲染不同顏色，將多個平面的二維圖像重組後產生立體視覺效果。VE 是將容積數據和計算機虛擬現實技術集合，重組出空腔臟器的腔內表面立體圖像，類似於內鏡所見影像。VE常用於胃腸道疾病診斷，但假陽性和假陰性率高，難以真實再現組織特點。

3.2.3 圖像顯示方式不同 CT和MRI自帶圖像後處理軟體的各種重組圖像在顯示方面與三維可視化技術的區別主要如下。（1） CT和MRI圖像後處理工作站上可以重組不同切面的二維圖片，從不同角度立體觀察組織結構，但提供的仍然是二維圖片；即便SSD、VRT/VR、VE等圖像能夠實現「三維」顯示，仍是通過計算機交互技術形成灰階變化或色差實現的，缺乏3D腹腔鏡或機器人手術下的三維立體空間的縱深感。（2）重組技術對組織或器官的顯示常為單一灰度或顏色，而利用不同顏色同時渲染不同器官組織後往往存在失真情況。（3） 重組圖像不能將多期數據重建圖像融合併同時顯示：例如門靜脈系統和肝靜系統不能同時顯示，更難以將肝臟和肝內三套血管和膽管系統同時三維顯示，而單獨顯示某一期數據的三維結構難以形成整體的解剖觀。（4）重組圖像的器官組合難以實時拆分觀察，例如MRP和CRP可以突出顯示目標臟器，但難以隱去周圍器官組織；MIP、MinIP、SSD、VRT/VR、VE可以單獨顯示目標臟器，但難以同時觀察目標臟器和周圍組織的關係。而三維可視化技術可通過拆分和調整透明度技術，實現不同組織和器官的多種組合的觀察，如針對肝臟或胰腺腫瘤，可分別觀察腫瘤和動脈、腫瘤和靜脈、腫瘤和周圍器官的空間解剖關係，或三者甚至四者同時觀察。

3.3 爭議二：三維可視化技術為原始CT或者MRI圖像的二次加工，存在失真 無論第三方三維可視化軟體還是CT和MRI自帶的圖像後處理工作站軟體，均是計算機利用圖形處理技術對原始CT和MRI二維圖像進行二次加工。CT值和MRI信號值是圖像的基礎，任何後處理技術，包括重建或重組，都不可避免的存在原始數據信息的丟失，導致重建結果存在一定程度的失真。而原始數據採集參數、造影劑質量和劑量以及各種軟體模塊功能的不一致，也是影響後期重建圖像質量的因素。

3.3.1 CT和MRI自帶軟體重建圖像缺點 MPR和CRP是將掃描範圍內所有軸點陣圖像疊加後，根據特定組織走向劃該術式定平面或曲面重組後產生新的二維圖像，MPR和CRP均為二維圖像，難以立體顯示複雜器官的立體結構，且CRP在一幅二維圖像上顯示彎曲物體的全長本身就無立體空間感，均存在失真。MIP常用來顯示血管（CTA）或胰膽管（MRCP）的走行，MinIP常用於密度小的氣道顯示，但兩者受重建層厚的影響對於密度差異小的組織結構難以顯示，易造成假象，且為二維顯示，圖像失真。SSD受CT閾值或MRI信號值影響大，容積數據信息丟失較多，細節顯示不佳，導致假象。如閾值高則分支結構顯示少，而閾值低則邊緣模糊；且只能顯示器官組織表面輪廓，不含組織密度信息，對內部結構無法顯示。VRT/VR是將多個平面的二維圖像重組後產生立體視覺效果，涉及三維體數據的預處理和後期投影兩個步驟，且VRT 圖像的偽彩設置很重要。例如血管VR重建時，不恰當的偽彩設置會將血管外層像素被過濾掉，顯示出的血管狹窄的程度會比真實情況嚴重，造成重建失真。VE重組出空腔臟器的腔內表面立體圖像，但難以真實再現組織特點，無法發現輕度隆起性病變，也無法判斷隆起性病變的性質，導致假陽性和假陰性率高。

3.3.2 三維可視化軟體重建圖像的缺點 三維可視化技術涉及圖像數據預處理、分割、配准、三維重建和可視化顯示多個步驟，涉及計算機圖像和圖形處理的多種演算法或方法。上述各個不同步驟的處理或計算，均會造成原始數據信息的丟失，從而影響三維重建的精細度和可視化顯示的清晰度。

3.3.3 提高三維重建逼真度的方法 以上分析表明，對原始數據信息的最大程度保留，優化各種重建技術的演算法，提高重建的逼真性，改進顯示技術，以滿足臨床疾病診療的需求，是今後CT或MRI自帶圖像後處理軟體和三維可視化軟體共同的研究目標。

3.4 爭議三：三維可視化技術能否提高疾病診斷率 三維可視化技術提供的三維物體的可視化立體視圖是基於二維CT、SPE-CT、PET-CT、MRI、US等二維圖像。上述機器成像原理各自不同，根據人體組織的特點均呈現出不同的影像學特點，並輔助各種不同造影劑成像，從而進行病變的定性和定位診斷。而三維重建技術僅利用上述機器採集的二維圖像，利用計算機輔助恢復了人體組織器官的固有三維結構，並通過可視化技術呈現，是對三維人體結構描述的一種逆向過程，其真實程度取決於三維可視化軟體的功能。因此，三維可視化技術在疾病的定性診斷方面並無優勢。然而，人體器官組織的三維重建和可視化顯像可省略人腦三維重建的過程，克服了人腦重建結果的不確定性，客觀再現器官和組織的三維立體結構，因此，在疾病的定位診斷方面優於二維圖像，使得所有醫務人員對同一疾病的定位診斷達到同質化的效果。

3.5 爭議四：三維可視化技術能否提高手術成功率和改善預後 三維可視化技術最大的優勢是對外科疾病的定位診斷。該技術可明確病灶的大小、部位、形狀，與周圍臟器的空間解剖關係，尤其是重要血管的毗鄰關係；並輔以不同組織器官的色彩渲染、組織結構的整體組合或拆分、多角度旋轉、不同程度的透明化處理、測量和計算等人機交互功能和可視化技術，極大地提高了疾病的定位診斷能力。三維可視化提供的病灶定位、體積或長度測量等功能在術前評估和手術方案設計方面具有二維圖像無可比擬的優點，不僅可以修正許多基於CT、MRI二維圖像制定的手術方案，而且可以實時術中對照、指導手術操作過程。目前的諸多臨床應用實踐證明：三維可視化技術對提高手術成功率、減少併發症、改善病人預後方面具有明顯的優勢［20-24］。

4

如何正確選擇和應用三維可視化技術和軟體

三維可視化技術的快速發展，得益於各種開源三維可視化軟體和工具包的免費獲取，例如ITK、IDL、VolPack、SPM、FSL、MIA等開源軟體工具庫是可視化系統開發的基礎；而Edtips、Osiris、Tomo Vision、VTK、VolView、VolVis等可視化軟體也可以免費獲得。目前商用的國外三維可視化軟體如美國IQQA系統、比利時的 Mimics系統、法國Myrian系統、德國Mevis系統，以及國內的醫學圖像三維可視化軟體如中科院自動化所的MITK、3D-Med，南方醫科大學的MIPS和MI-3DVS，福建醫科大學的Liver1.0等，都廣泛應用於科研或臨床。面對種類繁多的三維可視化軟體，外科醫生需正確認識和了解各種軟體的優缺點，根據自身專業特點和使用目的，選擇性使用。如開源可視化工具包和專業的可視化軟體多為科研院所的計算機專業人員使用，而Mimics、Myrian、Mevis、IQQA、MI-3DVS等軟體因具有較為全面的三維可視化功能、單PC上運行、人機交互相對簡單、能夠滿足臨床診療需求等特點而多為醫務工作者利用［25］。而MI-3DVS兼具個體化肝臟分段和肝段體積測量等功能，在腹部外科，尤其肝臟外科應用更具優勢［26-27］。因此，根據臨床需求和軟體的功能特點，使用者可選用相應的三維可視化軟體，以滿足臨床診療的需求。

總之，利用CT或MRI掃描的二維圖像診斷疾病是目前醫學影像診斷學的主要內容，而計算機圖像處理技術的快速發展，使得三維可視化技術從基礎研究走向臨床應用，為廣大醫務工作者提供了更加快捷方便的影像學診斷工具，開創了三維影像技術診療疾病的新模式。三維可視化技術作為傳統二維影像技術的補充，雖然對提高疾病診療水平起到了極大地推動作用，但是傳統的二維影像學診斷技術在疾病的定性和定位診斷中仍然具有不可替代的作用。未來，結合多模態圖像融合技術和虛擬現實技術，以三維可視化技術為基礎的外科導航技術將成為精準外科不可或缺的重要組成部分［28-29］。

（參考文獻略）

（2018-01-03收稿）

版權聲明

本文為《中國實用外科雜誌》原創文章。其他媒體、網站、公眾號等如需轉載本文，請聯繫本刊編輯部獲得授權，並在文題下醒目位置註明「原文刊發於《中國實用外科雜誌》，卷（期）：起止頁碼」。謝謝合作！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！