精准肝切除手术计划的微细管道建模与风险评估算法研究

"精准肝切除"与传统肝切除手术不同，它需要一个术前精确的影像学判断，从而对肝储备功能进行准确测定，手术风险远小于传统肝切除。其最大难度在于肝内微细管道的拓扑分析，因为这部分管道在CT中难以成像以至常常缺失。本项目将在课题组活体肝移植手术计划系统的研究基础上，研究可用于"精准肝切除"手术计划系统的微细管道模型。该模型能够在微细管道成像失败的情况下，借助仅有的主干管道成像信息以及管道周边肝实质和肿瘤的分布情况，结合医学上的管道变异分型知识库，在三维的体数据场中辅助生成肝内管道的精细三维分布形态并进行拓扑分析；在此基础上设计手术方案并预测手术断面两侧的损耗，完成手术风险评估的算法。以上模型和算法的建立将为"精准肝切除"手术计划系统的真正实现打下算法上的坚实基础，对临床肝切除技术的完善具有重要的推动作用。本立项的成果对于医学基础研究、医学教学、以及肝胆外科临床治疗水平提高都将具有重要的科学意义。

“精准肝切除”与传统肝切除手术不同，它需要一个术前精确的影像学判断，从而对肝储备功能进行准确测定，手术风险远小于传统肝切除。其最大难度在于肝内微细管道的拓扑分析，因为这部分管道在CT中难以成像以至常常缺失。本项目的研究内容是微细管道模型，该模型能够在微细管道成像失败的情况下，借助仅有的主干管道成像信息辅助生成肝内管道的精细三维分布形态。项目的具体研究内容包括：（1）肝实质的自动分割技术；（2）微细管道的恢复和修补；（3）管道的平滑三维重建；（4）各血管分支供血区域的划分；（5）切除方案的风险评估。三年来项目组针对以上5个方面的内容展开了研究，圆满完成了项目预设的研究目标，具体表现在：（1）利用自适应的快速行进法实现了肝实质的自动分割，并设计了一个种子点的自动生成算法用于肝脏序列的自动分割；（2）针对肝脏CT微细管道的分布特征，采用定向区域生长算法以及管道三维插值技术，实现了微细管道的恢复和修补；（3）采用改进的基于圆锥台拟合血管表面的方法实现肝脏管道的平滑三维重建；（4）采用基于距离变换的技术快速计算各血管分支供血区域的划分；（5）综合上述技术的肝脏切除方案的风险评估。基于以上研究内容，项目组共整理发表了8篇核心期刊论文和4篇国际会议论文，其中SCI检索1篇，EI检索6篇，ISTP检索1篇；同时授权了1项发明专利；培养毕业了1名博士和2名硕士，并有1名博士和4名硕士在读，超额完成了项目申请时预期的研究成果。项目组研究的模型和算法为“精准肝切除”手术计划系统的真正实现打下算法上的坚实基础，对临床肝切除技术的完善具有重要的推动作用。厦门大学附属中山医院肝胆外科作为本项目的合作单位，采用本项目的研究成果进行手术计划指导，成功进行了多次高难度的复杂肝脏切除手术。央视CCTV 10套《走近科学》栏目用了近半个小时的节目，系统地介绍了厦门大学附属中山医院肝胆外科与厦门大学信息学院成功开发出的“三维手术眼”（肝脏肿瘤手术计划系统），详细介绍了这套系统在复杂高危肝脏肿瘤病人中的应用成果，在专业界和国内广大肝脏肿瘤病人中引起了强烈反响。