三维可视化技术在肝胆外科临床应用的
争议与共识
范应方，方驰华
中国实用外科杂志,2018,38(2):137-141
三维可视化技术已经成为肝胆外科疾病的术前诊断及评估、手术规划制定，术中指导、术后评估的重要工具，极大推动了肝胆外科疾病的精准诊疗水平。与CT和MRI自带图像后处理技术比较，三维可视化技术在图像三维重建和图像显示的方法步骤等方面均存在不同。CT和MRI的图像后处理软件采用多层面重组（MPR）、曲面重组（CPR）、容积再现技术（VRT）、多层面容积重组（MPVR）、表面阴影显示（SSD）、仿真内镜（VE）等技术对原始二维图像进行重组和二维显示，不涉及原始数据的预处理，图像显示技术为二维显像。而三维可视化技术经过对原始DICOM数据的预处理、图像分割、面绘制和体绘制重建等技术对原始二维图像进行三维重建，图像显示技术为三维可视化。两者均是对原始二维图像的二次处理和显示，存在一定程度的图像失真。三维可视化技术在肝胆外科疾病的定性诊断方面虽无优势，但在定位诊断、术前手术方案制定、提高手术成功率和预后等方面优于CT和MRI自带的图像后处理技术。外科医生应该根据疾病诊疗的临床需求选择合适的三维可视化软件。三维可视化技术开创了三维影像技术诊疗疾病的新模式，将成为精准外科不可或缺的重要组成部分。
基金项目：“十三五”国家重点研发计划数字诊疗装备研发重点专项（No.2016YFC0106500）；国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（No.81627805）；广东省科技计划项目（No.2015B020214005，No.2015A020214012）
作者单位：南方医科大学珠江医院肝胆一科，广东 广州 510282
通信作者：方驰华，E-mail:fangch_dr@126.com
CT、MRI、电子发射计算机断层显像（positron emission tomography computedtomography，PET-CT）、超声（ultrasonography，US）等影像学技术可获取人体器官组织的二维断层图像，是目前疾病诊断的主要方法。临床医生利用二维图像的断层信息，凭借经验在大脑中进行立体重建，来评估病灶的大小、形态和结构以及与周围组织结构的关系。但对人体组织结构的真实重现依赖个人的临床经验和大脑的三维重构能力，人脑三维重建的不确定性也影响了疾病的正确诊断。随着计算机图像处理技术的快速发展，医学图像三维可视化技术应运而生。通过对人体器官组织及病变部位二维数据的三维重建和可视化显像，极大地提高了疾病诊疗的精确性。
随着三维可视化技术在临床逐步推广应用，三维可视化技术从最初的骨科、神经外科、整形外科领域，逐步过渡到肝胆外科领域，成为肝胆外科疾病的术前诊断及评估、手术规划制定，术中指导、术后评估的重要工具［1-3］。为规范其在肝胆外科领域的应用，国内众多专家总结临床应用经验，撰写了肝胆外科疾病三维可视化技术临床应用的系列专家共识［4-7］。但目前针对三维可视化技术的临床应用效果仍存在诸多争议，本文针对一些共性问题加以讨论。
三维重建（three-dimensional reconstruction，3D reconstruction）是对三维物体或者场景图像描述的一种逆向过程，由二维图像还原出三维的立体物体或者场景。而医学图像三维重建是指利用序列断层二维图像，包括二维结构图像（CT、MRI、US）和二维功能图像（SPE-CT或PET），经计算机构建出人体组织器官的三维几何模型，并在计算机屏幕上真实绘制并显示出来。广义的医学图像三维重建包括图像的重建技术和重组技术。重建（reconstruction）是指将人体原始容积数据经计算机特定的算法，如改变图像矩阵、视野、层厚、间隔等预处理，重建成二维图像，或对重建二维图像再次进行分割、配准、三维绘制，再次重建成三维图像的一种技术。而重组（reformation）是指用CT或MRI等对原始二维图像数据实施进一步重组处理，以改变图像的显示形式或方位，不涉及原始容积数据的处理。可视化（visualization）是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成的图形或图像在计算机屏幕上显示出来，并进行交互处理的方法和技术。医学图像三维重建和可视化技术的融合，为医生提供了逼真的显示手段和定量分析的工具，可以更好地显示二维数据信息，辅助临床诊断。
随着现代精准外科范式的建立，三维重建、虚拟仿真手术和术中精准操作助力肝胆外科向数字化、智能化、精准化、个体化的方向发展。目前，三维可视化可以对目标脏器、病灶和血管等进行可视化立体显示，通过不同透明度的设置和多角度全方位的观察，判断病灶与重要血管、脏器的关系，不仅提高了定位诊断的正确性，也提高了对关键解剖结构的测量、体积计算等术前评估的准确性和手术操作的精度和安全性［8-10］。肝脏内部管道系统，肝内外胆道系统及胰周组织等解剖结构复杂、变异多，手术难度大，并发症多。针对复杂肝脏占位性病变、肝门部胆管癌、复杂肝内外胆管结石以及胰腺占位性病变等肝胆外科疾病的诊断和治疗，三维可视化技术显示了良好的临床应用前景［3-7，11-12］。
中华医学会数字医学分会、中华医学会外科学分会和中国研究型医院学会数字医学临床外科专业委员会组织国内外众多专家，制定了复杂肝癌、肝胆管结石、肝门部胆管癌及胰腺肿瘤三维可视化精准诊治等4个专家共识［4-7］。从三维重建所需的高质量原始数据的采集，肝脏、胰腺等实质器官及其肿瘤分割重建，肝脏、肝内血管、胆管、胰周血管的三维可视化模型的建立和分型，肝脏分段及体积计算，各种手术的三维可视化术前评估、术中指导及术后评估等几方面，全面阐述了三维可视化技术临床应用的共识和建议。突出了其对术前评估、手术方案设计和手术操作的指导价值。
3.1 CT和MRI自带图像后处理软件与第三方三维重建软件的区别和联系 现有CT和MRI均自带图像后处理工作站，其图像后处理软件即为最初的三维重建软件。利用图像后处理软件，放射科专业技术人员可将原始DICOM数据进行三维重建或重组，辅助临床诊断。而随着医学图像处理技术的发展，第三方独立开发的商业化的三维可视化软件也迅速发展，如Mimics、3D-Doctor、Myrian等软件均可采用CT、MRI及US的轴位图像进行独立地三维重建和可视化显示。有的三维可视化软件还可以和现有CT和MRI机器无缝连接，如加拿大的 Allegro和荷兰Nobilee系统，可与不同厂家的CT或MRI机器连接，可望成为CT或MRI机器的自带图像处理软件。而随着软件接口的标准化，相信越来越多优秀的第三方商业化软件会突破现有CT和MRI商家的垄断，成为这类大型医疗设备的组成部分。目前各种商业化三维可视化软件功能不一，虽然在图像分割和可视化显示方面整体优于CT或MRI自带的图像后处理软件，但其利用的原始数据均为CT或MRI的原始DICOM数据。未来，随着上述软件的兼容性和接口的标准化，其三维重建和可视化功能的差异将逐步缩小。
3.2 争议一：CT和MRI自带三维重建功能，无须第三方三维重建软件 尽管现有CT和MRI技术已广泛应用于疾病的诊断，但是，CT和MRI只能够提供人体内部的二维切面图像，经其图像后处理软件三维重组的图像也是二维显示。第三方三维可视化软件采用CT和MRI的序列薄层二维图像，利用三维重建与可视化技术将其重建为具有直观、立体效果的三维图像，并进行定性、定量分析，从而提高临床诊断水平。两者主要区别如下。
3.2.1 三维重建步骤不同 目前，医学图像三维重建主要包括如下步骤［13-14］。（1）图像数据预处理：包括图像大小的修改、锐化、平滑、灰度转变、复原校正等预处理技术，以改善图像画质。（2）分割标注：采用基于边界和基于区域等方法，对目标区域进行精确分割和标注，保证三维重建的精确度。（3）配准融合：配准即寻找一种空间变换，使得两幅或多幅图像的对应点达到空间位置和解剖位置的完全一致，配准的结果应该使两幅图像上所有的解剖点或至少是具有诊断意义的点都达到匹配。而融合是将同一仪器不同时间段图像（如CT的动脉期和静脉期）融合形成新的图像的过程，或指将不同形式的医学图像（如CT与MRI）中图像的空间解剖信息综合到一起，形成新的多模态图像。配准是图像融合的预处理技术，是图像融合的先决条件，而图像融合是图像配准的最终目的。（4）三维重建：采用面绘制和体绘制及其改进的各种算法，处理点云、重建曲面和内部结构，得出器官组织的三维模型。（5）可视化图像显示：通过计算机图像图形学技术和可视化技术对重建后的图像进行处理。包括明暗变换、色彩渲染、光照计算和隐藏面消除等，以及旋转、缩放、平移、拆分等效果。上述各步骤的处理，包括获取的原始数据质量的好坏，以及各种重建软件功能的不同，均会影响三维重建的效果。
CT和MRI等图像的三维重组无需对原始数据进行上述步骤处理，利用自带的后处理软件，直接将及其扫描获得的轴位图像数据进行各种方式的重组，获得相应的新图像以二维形式输出，但通过明暗阴影、灰阶处理和色彩渲染及旋转等技术处理，亦可产生“三维视觉”效果。同样，原始轴位图像数据的质量和后期重组方法的不同，亦会影响重组图像的质量。
3.2.2 三维重建方法不同 目前，医学图像三维重建的方法主要有两大类［15-17］：一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构，称为基于表面的面绘制（surface rendering）；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的直接体绘制 （volume rendering）。面绘制和体绘制这两种方法虽然都是对三维数据场的显示，但由于基本方法不同，体绘制的图像的质量优于面绘制，但面绘制在交互性能和算法效率方面优于体绘制。在实际应用中，应根据组织结构的不同特点、观察目标而选择面绘制或体绘制重建，或将两种方法融合应用，以达到最佳的三维重建效果。
现有CT和MRI机器自带的图像后处理工作站的软件，其功能应定义为重组技术，不涉及原始数据的预处理、分割、重建等步骤。这些重组技术包括：多层面重组（multiplanar reformation，MPR）、曲面重组（curved planar reformation，CPR）、容积再现技术（vloume rendering technique，VRT）［或称容积重组（volume reformation，VR）］、多层面容积重组（multiplanar volume reconstruction，MPVR）、表面阴影显示（surface shade display，SSD）、仿真内镜（virtual endoscopy，VE）等［18-19］，而MPVR技术又可分为最大密度投影（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）三种。其中MRP和CRP为二维重组技术，MPVR、SSD、VRT/VR、VE等可归类为三维重组技术。
MPR是将横断面扫描所得以像素为单位的二维图像叠加成以体素为单位的三维数进行冠状位、矢状位、任意角度斜位的截取，重组后产生新的二维断层图像。MPR显示结果并非真实的三维立体结构，难以表达复杂的空间结构，容易造成假阳性。CRP是在某一个维度上选择特定的曲线路径，将该路径上的所有体素在同一平面上进行显示，用于将扭曲的的管状结构伸展拉直并在同一平面上完整显示。同样，CPR所显示的不是正常的解剖结构和立体空间关系，其图像以二维图像形式显示。MPVR是将任意方位的一组层面或一个厚片的容积数据进行重建和二维显示。MIP是将一定厚度中最大CT值（CT扫描）或信号（MRI扫描）的体素投影到背景平面上，以显示所有或部分的强化密度高的血管和（或）器官，如骨骼、强化明显的软组织肿块、注射造影剂后的血管系统（冠脉血管、腹腔动脉血管系统、腹腔门静脉系统）和高信号的胆道系统（磁共振胰胆管成像，MRCP）等。MinIP与MIP相反，采用最小CT值或MRI信号投射到背景平面上，以显示低密度或信号组织，主要用于含气体的低密度的胃肠道或支气管的重建，偶尔也用于扩张胆管的显示。而AIP采用平均密度，因组织分辨率低，临床现已少用。SSD采用像素阈值的方法对器官组织的表面数据进行平滑处理，其图像可显示空间结构复杂的器官外表面形态轮廓，常用于体表骨骼系统、空腔结构、腹腔脏器和肿瘤的显示。VRT/VR将多个平面内所有体素设定为不同透明度，利用虚拟光源照射产生不同的灰阶或渲染不同颜色，将多个平面的二维图像重组后产生立体视觉效果。VE 是将容积数据和计算机虚拟现实技术集合，重组出空腔脏器的腔内表面立体图像，类似于内镜所见影像。VE常用于胃肠道疾病诊断，但假阳性和假阴性率高，难以真实再现组织特点。
3.2.3 图像显示方式不同 CT和MRI自带图像后处理软件的各种重组图像在显示方面与三维可视化技术的区别主要如下。（1） CT和MRI图像后处理工作站上可以重组不同切面的二维图片，从不同角度立体观察组织结构，但提供的仍然是二维图片；即便SSD、VRT/VR、VE等图像能够实现“三维”显示，仍是通过计算机交互技术形成灰阶变化或色差实现的，缺乏3D腹腔镜或机器人手术下的三维立体空间的纵深感。（2）重组技术对组织或器官的显示常为单一灰度或颜色，而利用不同颜色同时渲染不同器官组织后往往存在失真情况。（3） 重组图像不能将多期数据重建图像融合并同时显示：例如门静脉系统和肝静系统不能同时显示，更难以将肝脏和肝内三套血管和胆管系统同时三维显示，而单独显示某一期数据的三维结构难以形成整体的解剖观。（4）重组图像的器官组合难以实时拆分观察，例如MRP和CRP可以突出显示目标脏器，但难以隐去周围器官组织；MIP、MinIP、SSD、VRT/VR、VE可以单独显示目标脏器，但难以同时观察目标脏器和周围组织的关系。而三维可视化技术可通过拆分和调整透明度技术，实现不同组织和器官的多种组合的观察，如针对肝脏或胰腺肿瘤，可分别观察肿瘤和动脉、肿瘤和静脉、肿瘤和周围器官的空间解剖关系，或三者甚至四者同时观察。
3.3 争议二：三维可视化技术为原始CT或者MRI图像的二次加工，存在失真 无论第三方三维可视化软件还是CT和MRI自带的图像后处理工作站软件，均是计算机利用图形处理技术对原始CT和MRI二维图像进行二次加工。CT值和MRI信号值是图像的基础，任何后处理技术，包括重建或重组，都不可避免的存在原始数据信息的丢失，导致重建结果存在一定程度的失真。而原始数据采集参数、造影剂质量和剂量以及各种软件模块功能的不一致，也是影响后期重建图像质量的因素。
3.3.1 CT和MRI自带软件重建图像缺点 MPR和CRP是将扫描范围内所有轴位图像叠加后，根据特定组织走向划该术式定平面或曲面重组后产生新的二维图像，MPR和CRP均为二维图像，难以立体显示复杂器官的立体结构，且CRP在一幅二维图像上显示弯曲物体的全长本身就无立体空间感，均存在失真。MIP常用来显示血管（CTA）或胰胆管（MRCP）的走行，MinIP常用于密度小的气道显示，但两者受重建层厚的影响对于密度差异小的组织结构难以显示，易造成假象，且为二维显示，图像失真。SSD受CT阈值或MRI信号值影响大，容积数据信息丢失较多，细节显示不佳，导致假象。如阈值高则分支结构显示少，而阈值低则边缘模糊；且只能显示器官组织表面轮廓，不含组织密度信息，对内部结构无法显示。VRT/VR是将多个平面的二维图像重组后产生立体视觉效果，涉及三维体数据的预处理和后期投影两个步骤，且VRT 图像的伪彩设置很重要。例如血管VR重建时，不恰当的伪彩设置会将血管外层像素被过滤掉，显示出的血管狭窄的程度会比真实情况严重，造成重建失真。VE重组出空腔脏器的腔内表面立体图像，但难以真实再现组织特点，无法发现轻度隆起性病变，也无法判断隆起性病变的性质，导致假阳性和假阴性率高。
3.3.2 三维可视化软件重建图像的缺点 三维可视化技术涉及图像数据预处理、分割、配准、三维重建和可视化显示多个步骤，涉及计算机图像和图形处理的多种算法或方法。上述各个不同步骤的处理或计算，均会造成原始数据信息的丢失，从而影响三维重建的精细度和可视化显示的清晰度。
3.3.3 提高三维重建逼真度的方法 以上分析表明，对原始数据信息的最大程度保留，优化各种重建技术的算法，提高重建的逼真性，改进显示技术，以满足临床疾病诊疗的需求，是今后CT或MRI自带图像后处理软件和三维可视化软件共同的研究目标。
3.4 争议三：三维可视化技术能否提高疾病诊断率 三维可视化技术提供的三维物体的可视化立体视图是基于二维CT、SPE-CT、PET-CT、MRI、US等二维图像。上述机器成像原理各自不同，根据人体组织的特点均呈现出不同的影像学特点，并辅助各种不同造影剂成像，从而进行病变的定性和定位诊断。而三维重建技术仅利用上述机器采集的二维图像，利用计算机辅助恢复了人体组织器官的固有三维结构，并通过可视化技术呈现，是对三维人体结构描述的一种逆向过程，其真实程度取决于三维可视化软件的功能。因此，三维可视化技术在疾病的定性诊断方面并无优势。然而，人体器官组织的三维重建和可视化显像可省略人脑三维重建的过程，克服了人脑重建结果的不确定性，客观再现器官和组织的三维立体结构，因此，在疾病的定位诊断方面优于二维图像，使得所有医务人员对同一疾病的定位诊断达到同质化的效果。
3.5 争议四：三维可视化技术能否提高手术成功率和改善预后 三维可视化技术最大的优势是对外科疾病的定位诊断。该技术可明确病灶的大小、部位、形状，与周围脏器的空间解剖关系，尤其是重要血管的毗邻关系；并辅以不同组织器官的色彩渲染、组织结构的整体组合或拆分、多角度旋转、不同程度的透明化处理、测量和计算等人机交互功能和可视化技术，极大地提高了疾病的定位诊断能力。三维可视化提供的病灶定位、体积或长度测量等功能在术前评估和手术方案设计方面具有二维图像无可比拟的优点，不仅可以修正许多基于CT、MRI二维图像制定的手术方案，而且可以实时术中对照、指导手术操作过程。目前的诸多临床应用实践证明：三维可视化技术对提高手术成功率、减少并发症、改善病人预后方面具有明显的优势［20-24］。
三维可视化技术的快速发展，得益于各种开源三维可视化软件和工具包的免费获取，例如ITK、IDL、VolPack、SPM、FSL、MIA等开源软件工具库是可视化系统开发的基础；而Edtips、Osiris、Tomo Vision、VTK、VolView、VolVis等可视化软件也可以免费获得。目前商用的国外三维可视化软件如美国IQQA系统、比利时的 Mimics系统、法国Myrian系统、德国Mevis系统，以及国内的医学图像三维可视化软件如中科院自动化所的MITK、3D-Med，南方医科大学的MIPS和MI-3DVS，福建医科大学的Liver1.0等，都广泛应用于科研或临床。面对种类繁多的三维可视化软件，外科医生需正确认识和了解各种软件的优缺点，根据自身专业特点和使用目的，选择性使用。如开源可视化工具包和专业的可视化软件多为科研院所的计算机专业人员使用，而Mimics、Myrian、Mevis、IQQA、MI-3DVS等软件因具有较为全面的三维可视化功能、单PC上运行、人机交互相对简单、能够满足临床诊疗需求等特点而多为医务工作者利用［25］。而MI-3DVS兼具个体化肝脏分段和肝段体积测量等功能，在腹部外科，尤其肝脏外科应用更具优势［26-27］。因此，根据临床需求和软件的功能特点，使用者可选用相应的三维可视化软件，以满足临床诊疗的需求。
总之，利用CT或MRI扫描的二维图像诊断疾病是目前医学影像诊断学的主要内容，而计算机图像处理技术的快速发展，使得三维可视化技术从基础研究走向临床应用，为广大医务工作者提供了更加快捷方便的影像学诊断工具，开创了三维影像技术诊疗疾病的新模式。三维可视化技术作为传统二维影像技术的补充，虽然对提高疾病诊疗水平起到了极大地推动作用，但是传统的二维影像学诊断技术在疾病的定性和定位诊断中仍然具有不可替代的作用。未来，结合多模态图像融合技术和虚拟现实技术，以三维可视化技术为基础的外科导航技术将成为精准外科不可或缺的重要组成部分［28-29］。
（参考文献略）
（2018-01-03收稿）
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