引入分子影像的肝癌及活体肝移植手术计划与评估设备研究

The surgery for complex type of liver cancer and living donor liver transplantation (LDLT) is a great risky work. Precise assessment and planning of surgery is the key to the success of surgery and the safety of donor and receptor. Based on finished projects of LDLT, our team has developed a liver information understanding and analysis system based on CT images, which implemented automatic segmentation of liver, tumor and vessels. We completed the medical apparatus and instruments registration for the software of “Virtual Liver Cancer Surgery”. This project around scientific instruments developed four innovative problems research on ：(1) liver imaging device design based on high frequency ultrasound molecular imaging; (2) three dimensional construction of fine liver vessels based on prior knowledge and multi-mode images; (3) liver function model based on liver images and reserve function for achieving precise surgical plan and risk assessment; (4) postoperative assessment based on the shape change detection of graft LDLT. The realization of this project will promote the precise liver surgery medical research and reduce the mortality from liver cancer.

复杂型肝癌及活体肝移植(LDLT)手术风险极大。术前的精确评估和精密手术计划的制定，是确保手术成功的关键。项目组在前期结题的“活体肝移植关键技术”等多项基金成果基础上，实现了肝脏、肿瘤及各种管道自动分割与建模，形成了CT影像的肝脏信息理解与分析系统，注册了医疗器械产品“肝癌手术计划模拟软件”。本专项拟围绕科学仪器研制的四个创新性关键问题开展研究: (1)基于超声分子影像的肝脏肿瘤成像数据采集模块设计；(2)基于先验知识的多模影像肝脏精细管道三维构建理论与方法；(3)基于肝脏影像与储备功能相结合的肝脏功能建模理论与方法，实现精确手术方案与风险评估；(4)基于移植物形态变化检测的术后辅助评估理论与方法。在此基础上研制具备肝切除与活体肝移植术前临床功能评估、精密手术方案设计和移植风险预测的科学仪器。项目的实现对精准肝脏外科医学研究、临床精准外科手术水平的提高、降低肝病死亡率都具有重要的推动作用。

复杂型肝癌及活体肝移植手术风险极大。术前的精确评估和精密手术计划的制定，是确保手术成功的关键。项目组针对该问题，提炼了4个科学问题并进行了深入的研究，取得了相应的研究成果，包括：（1）对压电复合材料进行了优选和表征，优化了压电复合材料的制备工艺；开发了三排混频新型超声换能器，并对其工艺进行了改进与提升；构建了靶向超声造影剂，实现了肿瘤超声分子成像信号的采集；（2）采用基于惩罚项互信息，提高了CT和MRI配准的精度和速度；利用刚性配准和形变配准，实现了肝脏多相期图像的配准融合；基于模糊理论设计了肝内管道的模糊连接分割技术，然后采用自适应阈值技术实现了模糊场景的自动提取；基于GPU的CUDA技术对模糊连接分割算法进行了加速并解决了区块竞争问题；（3）采用多级分割技术，实现了实体肿瘤和非实体肿瘤的自动分割；以血管分支分析为基础，准确实现了肝脏供血分布计算，实现了肝脏功能建模，为精确手术方案与风险评估建立基础；（4）采用拟蒙特卡罗方法精确计算肿瘤体积；基于灰度共生矩阵，结合形态及纹理的检测技术实现了肿瘤疗效评价，为临床提供了量化依据；（5）综合上述技术的研制成功手术风险评估样机。项目组获得了2015年福建省科技进步二等奖，整理发表了22篇论文，其中SCI 8篇，EI 1篇；申请及授权7项发明专利，3项软件著作权；培养毕业了2名博士和9名硕士，超额完成了项目申请时预期的研究成果。研究的模型和算法为肝癌及活体肝移植手术计划系统的实现打下算法上的坚实基础。厦门大学附属中山医院肝胆外科采用本项目的研究成果进行手术计划指导，成功进行了多例高难度的复杂肝脏切除手术，其中一例典型案例成为Oncology Letters杂志2015 May 9(5)的封面文章。样机采用了通用的系统设计方案，除了能够支持肝脏手术计划，也能够完成其它类似手术的手术计划及风险评估。2015年项目合作单位厦门174医院收治了1例十二指肠癌患者，本系统辅助医生制订了精确的手术方案，协助医生成功实施了手术。