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        基于3D分割技術(shù)的CT與磁共振增強(qiáng)檢查對肝細(xì)胞癌體積評估的一致性分析

        2019-08-12 03:15:50湯世雄黎丹肖恩華劉佳易吳雄卞讀軍
        中國普通外科雜志 2019年7期
        關(guān)鍵詞:肝細(xì)胞肝臟體積

        湯世雄,黎丹,肖恩華,劉佳易,吳雄,卞讀軍

        (中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院 放射科,湖南 長沙 410011)

        肝細(xì)胞癌是常見的惡性腫瘤[1],常通過取肝臟活體組織進(jìn)行病理診斷或者通過影像學(xué)診斷,影像征像表現(xiàn)為病變在動態(tài)增強(qiáng)CT或者增強(qiáng)磁共振成像(contrast-enhanced magnetic resonance imaging,CE-MRI)上顯示肝動脈期顯著強(qiáng)化,門脈期和延時期腫瘤強(qiáng)化明顯減弱或降低,甲胎蛋白水平為≥200 ng/mL[2]。外科手術(shù)治療是提高患者遠(yuǎn)期生存率最重要的手段[3],動脈灌注化療栓塞治療(transcatheter arterial chemoembolization,TACE),對于無法外科手術(shù)切除的原發(fā)性和一些繼發(fā)性肝癌患者,是有效的治療方法[4]。不管選用哪種治療方法[5],肝膽外科,放射介入科或腫瘤科醫(yī)師都會對肝臟腫瘤的體積大小進(jìn)行測算,以評估療效。目前,肝膽外科,放射介入科或腫瘤科醫(yī)生對于肝臟腫瘤的大小評估,通?;跈M斷面測量其前后徑和左右徑,冠狀面或矢狀面測量腫瘤的上下徑,這是一種簡易和粗略的估計腫瘤大小的方法[6]。人工智能的廣泛應(yīng)用,使計算機(jī)工作站精確測量腫瘤體積成為可能[7],對腫瘤體積進(jìn)行三維定量的分割技術(shù),經(jīng)過臨床認(rèn)證,確認(rèn)在技術(shù)上可行,可重復(fù)性高[8]。把圖像導(dǎo)入后處理工作站,在CT和MRI動態(tài)增強(qiáng)三維序列圖像上利用區(qū)域生長和主動輪廓模型病變分割技術(shù),手畫感興趣體積(volume of interest,VOI),能快速測量病變體積,具有操作方便,計算精確的優(yōu)點(diǎn),具有重要的臨床應(yīng)用價值。但患者進(jìn)行影像診斷及隨訪時選擇的檢查方法不盡相同,有時選擇增強(qiáng)CT,有時選擇CE-MRI。這就給臨床醫(yī)生帶來了一個困惑,對于同一患者兩種不同影像學(xué)檢查方法所測算的腫瘤體積是否具有一致性?這關(guān)系到臨床醫(yī)生能否精確的評估患者腫瘤體積變化情況,評估患者的治療效果。本研究擬采用區(qū)域生長和主動輪廓模型(active contour model,ACM)病變分割技術(shù),比較3D分割技術(shù)在同一肝細(xì)胞癌患者的增強(qiáng)CT與CE-MRI對腫瘤體積大小的評估是否具有一致性。

        1 資料與方法

        1.1 一般資料

        本回顧性研究方案符合人體試驗倫理學(xué)標(biāo)準(zhǔn),并得到中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn),患者均免除簽署知情同意書。研究回顧性納入2014年11月—2018年12月中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院肝膽外科或者放射介入科收治住院的肝細(xì)胞癌患者75例,納入標(biāo)準(zhǔn):⑴ 首次入院診斷為肝細(xì)胞癌;⑵ 經(jīng)過肝臟活檢或者手術(shù)病理證實為肝細(xì)胞癌;⑶ 術(shù)前同時進(jìn)行了增強(qiáng)CT和增強(qiáng)MRI檢查;⑷ CT和MR檢查屏氣配合良好,圖像無顯著呼吸及其他運(yùn)動偽影干擾。排除標(biāo)準(zhǔn):⑴ 膽管細(xì)胞癌及其他病理類型被排除;⑵ 病變形態(tài)不典型,或病灶小而被排除;⑶ 屏氣不好,運(yùn)動偽影明顯而造成圖像質(zhì)量差的病例排除。共收集60例病例統(tǒng)計分析,其中47例男性患者,13例女性患者;年齡范圍在29~75歲之間,平均年齡(53.3±11.7)歲。追蹤到42例患者接受了腫瘤肝葉切除術(shù),18例患者接受了肝穿刺活檢。病例診斷均為肝細(xì)胞癌。

        1.2 設(shè)備與技術(shù)參數(shù)

        所有患者均采用第三代雙源CT(SOMATOM Definition Force,Siemens Healthcare,F(xiàn)orchheim,Germany)行腹部CT成像,患者仰臥位,頭先進(jìn),呼氣末屏氣掃描。經(jīng)肘前靜脈注射已預(yù)熱好的非離子型對比劑(碘佛醇,350 mgI/mL),按照1.5 mL/kg注射,注射流率為 2.5 mL/s。無預(yù)設(shè)值開啟智能管電壓調(diào)制技術(shù)(CARE Kv,Siemens Healthcare)聯(lián)合智能管電流調(diào)制技術(shù)(CareDose 4D,Siemens Healthcare)。設(shè)備參數(shù)如下:雙96排光子探測器,探測器準(zhǔn)直寬度為2 mm×96 mm×0.6 mm,螺距為1.2,旋轉(zhuǎn)時間為0.5 s/r。在肝動脈期(延時,25~30 s),門脈期(延時,80 s)和延時期(延時,300 s)分別進(jìn)行掃描。自動重建層厚1.00 mm、重建增量0.7 mm,卷積核Br40的腹窗圖像,啟用迭代重建技術(shù)(ADMIRE,Siemens Healthcare,F(xiàn)orchheim,Germany),迭代強(qiáng)度選擇機(jī)器默認(rèn)的2。所有圖像數(shù)據(jù)傳輸至后處理工作站(Syngo.Via VB10B,Siemens Healthcare,F(xiàn)orchheim,Germany),利用區(qū)域生長和主動輪廓模型病變分割技術(shù),手畫VOI體積測量。

        所有患者均在西門子MAGNETOM Skyra 3.0T的磁共振機(jī)器上進(jìn)行肝臟掃描,掃描采用聯(lián)合西門子體部相控陣18通道線圈和32通道脊柱線圈,對比劑為釓噴酸葡胺(Gd-DTPA)注射液以0.1 mmol/kg靜脈注射后行對比增強(qiáng)。使用Medrad高壓注射器加20 mL生理鹽水沖管。在動脈期(注藥后20 s)和門脈期(注藥后60 s)分別掃描,之后延時到300 s掃延時期。采用CE-MRI成像的動脈期和門脈期圖像用于研究。成像序列及參數(shù)見表1。

        表1 MRI系列參數(shù)Table1 MRI quantitative parameters

        1.3 體積計算方法

        本研究由兩名具有10年以上腹部放射診斷經(jīng)驗的影像醫(yī)生選擇并評估靶病變?nèi)缓筮M(jìn)行切割。將動脈期和靜脈期橫斷位薄層圖像調(diào)入后處理工作站(Syngo.Via VB10B,Siemens,Germany),指定工作流程為MM閱片,打開手畫VOI工具,在橫斷位圖像上對腫瘤進(jìn)行逐層手工分割,最后點(diǎn)擊創(chuàng)建VOI,軟件進(jìn)行自動重組并計算出相應(yīng)腫瘤的體積,具體步驟為:⑴ 橫斷位圖像調(diào)入后處理工作站;⑵ 指定工作流程為MM閱片;⑶ 打開手畫VOI工具;⑷ 橫斷位圖像對腫瘤區(qū)域進(jìn)行逐層手工分割;⑸ 利用輕推工具和校正筆微調(diào);⑹ 創(chuàng)建VOI;⑺ 軟件自動重組并得到腫瘤體積。

        1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

        將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)軟件SPSS 23.0,腫瘤體積數(shù)據(jù)在CE-MRI和CT之間先行正態(tài)分布檢驗和方差齊性檢驗,再使用配對t檢驗比較,CE-MRI和CT增強(qiáng)腫瘤體積使用線性回歸模型進(jìn)行比較。計算Pearson相關(guān)系數(shù)。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

        2 結(jié) 果

        2.1 兩種成像方法的一般特征

        15例患者由于影像學(xué)表現(xiàn)不典型,肝動靜脈瘺,或病變太小被排除。60例患者被納入研究。研究組病例典型的MRI表現(xiàn)為:肝臟體積增大,可見團(tuán)塊狀軟組織影,腫塊在T2WI上顯示高信號,T1WI呈稍低信號,增強(qiáng)掃描病變動脈期中度不均勻強(qiáng)化,門脈期強(qiáng)化減退;腹膜后有時見腫大淋巴結(jié);門脈主干及左右支部分病例有癌栓形成,門脈主干增粗,脾門靜脈血管迂曲,擴(kuò)張。CT表現(xiàn)為:平掃肝實質(zhì)內(nèi)可見不均質(zhì)低密度腫塊影,增強(qiáng)掃描動脈期呈顯著不均勻性強(qiáng)化,門脈期強(qiáng)化程度減退,內(nèi)見片狀低密度無強(qiáng)化區(qū)。部分患者肝實質(zhì)內(nèi)可見散在子灶,肝周、脾周見少許水樣密度影。腹膜后見腫大淋巴結(jié)影。

        2.2 兩種成像方法的一致性分析

        腫瘤體積的平均值在C E-M R I上為(2 3.5 3±7.6 3)c m3;在增強(qiáng)C T上為(22.72±7.49)cm3(圖1),兩種成像方法測量的腫瘤體積結(jié)果比較無統(tǒng)計學(xué)意義(t=0.59,P=0.56)。兩種種成像方法測量的病灶體積之間具有強(qiáng)相關(guān)性(r=0.99,95% CI=0.97~0.99)(圖2)。

        圖1 區(qū)域生長ACM分割肝細(xì)胞癌的體積(圖中紫色部) A-C:增強(qiáng)CT的體積測量圖;D-F:CE-MRI的體積測量圖Figure1 HCC lesion segmentation with region-based ACM (purple portions) A-C:The volume measurement image by enhanced CT;D-F:The volume measurement image by CE-MRI

        圖2 CE-MRI測量體積與增強(qiáng)CT測量體積的相關(guān)性分析Figure2 Correlation analysis of tumor volumes obtained by CE-MRI and contrast-enhanced CT

        3 討 論

        3.1 肝細(xì)胞癌體積評估的重要性

        肝體積計算和虛擬肝切除術(shù)對于肝癌精準(zhǔn)肝切除術(shù)的手術(shù)方案選擇有重要價值[9]。根據(jù)增強(qiáng)CT或CE-MRI的掃描圖像來進(jìn)行術(shù)前精準(zhǔn)體積測量,對于安全實施復(fù)雜肝臟切除手術(shù)的作用至關(guān)重要,計算肝臟切除體積與殘余肝體積,仔細(xì)觀察測量計劃與周圍解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系[10],得到手術(shù)前、后的肝臟腫塊體積以及殘余肝臟體積數(shù)據(jù),對于肝臟腫瘤切除、肝移植等手術(shù)的患者非常有必要,有助于減少因術(shù)后殘肝體積過小而造成的各種并發(fā)癥。

        肝臟腫塊體積評估有助于間接評估肝儲備功能,術(shù)后測量殘余肝臟體積,有助于外科醫(yī)生了解肝臟的再生情況[11]。

        3.2 基于區(qū)域生長ACM測量肝癌體積的優(yōu)勢

        肝細(xì)胞癌體積區(qū)域生長ACM允許結(jié)合軟件改善工作流程,提高效率,提高閱片準(zhǔn)確性。相反,手動分割需要更多時間,高水平專業(yè)知識,以及對圖像功能的良好了解。區(qū)域生長ACM分割軟件綜合了腫瘤的復(fù)雜外形,鄰近結(jié)構(gòu),不同程度的增強(qiáng),和相鄰的偽影。在本研究中,區(qū)域生長ACM體積分割軟件成功應(yīng)用于用二種成像方式分割腫瘤。

        區(qū)域生長ACM有助于更準(zhǔn)確地識別腫瘤反應(yīng),并用于評估肝細(xì)胞癌在TACE(經(jīng)導(dǎo)管肝動脈化療栓塞)之后的影像學(xué)改變,本研究表明在CEMRI和增強(qiáng)CT圖像上基于區(qū)域生長主動輪廓模型切割方法獲得的腫瘤體積數(shù)據(jù)具有強(qiáng)相關(guān)性。使用三維區(qū)域生長ACM腫瘤分割進(jìn)行腫瘤體積測量可能比一維和二維測量方法更準(zhǔn)確[12-13]。

        3.3 關(guān)于腫瘤體積計算的圖像分割方法

        3D可視化技術(shù)可以計算剩余肝臟體積,并可提高中央型肝腫瘤肝切除手術(shù)前規(guī)劃的準(zhǔn)確率及幫助術(shù)中精確操作[13]。有幾種半自動圖像分割技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于腫瘤體積分析[14-16]。區(qū)域生長算法是最常用的方法,也是CT圖像后處理技術(shù)的重要方法。區(qū)域生長算法的基本原理是將有相似性質(zhì)的像素點(diǎn)合并到一起。對每一個區(qū)域要先指定一個種子點(diǎn)作為生長的起點(diǎn),然后將種子點(diǎn)周圍區(qū)域的像素點(diǎn)和種子點(diǎn)進(jìn)行對比,將具有相似性質(zhì)的點(diǎn)合并起來繼續(xù)向外生長,直到滿足條件的像素被包括進(jìn)來為止,這樣一個區(qū)域的生長就完成了[17-18]。在使用中,它依賴于肝細(xì)胞癌圖像的形狀和線性的組合。每個形狀都建立在3D區(qū)域圖像的特征上,其中心位置和大小由操作者劃定。這些圖形通過基于圖像的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化結(jié)合在一起,可以設(shè)置增長的靈敏度包含或排除新形狀,自動控制整體組合最終實現(xiàn)體積分割。

        肝細(xì)胞癌體積區(qū)域生長ACM切割方法是在三維圖像上基于閾值區(qū)域生長獲得一層圖像中肝細(xì)胞癌病變的初始輪廓,再利用ACM獲得該層的結(jié)果,然后將分割結(jié)果作為相鄰層圖像的初始輪廓進(jìn)行ACM分割,通過迭代算法,實現(xiàn)對腫瘤在一組三維圖像序列的切割[19]。在此基礎(chǔ)上,該算法利用肝臟輪廓位置獲得肝臟腫瘤位置的臨界值,再將肝臟腫瘤數(shù)據(jù)分割出來,從而實現(xiàn)肝臟腫瘤邊界的半自動分割,計算腫塊體積[20]。

        3.4 國際上腫瘤體積分割技術(shù)在評估TACE對腫瘤反應(yīng)的應(yīng)用趨勢

        當(dāng)今國際上廣泛應(yīng)用的評估T A C E對腫瘤反應(yīng)的方法包括:實體腫瘤反應(yīng)的評估標(biāo)準(zhǔn)(Response Evaluation Criteria in Solid Tumor,RECIST)[20-21];歐洲肝臟研究協(xié)會(European Association for the Study of the Liver,EASL)的指南[22-23];修改后的RECIST(mRECIST)[24-25]評估標(biāo)準(zhǔn)?;诓≡钪睆降腞ECIST評估標(biāo)準(zhǔn)用于測量整體腫瘤大小的變化,EASL則用于測量腫瘤增強(qiáng)的區(qū)域,而mRECIST測量腫瘤增強(qiáng)直徑最大值。實際上這3種評估方法都是一維或者二維的測量方法,都不能精確的評估腫瘤體積變化情況[26]雖然目前在臨床上RECIST、EASL、mRECIST仍是評估TACE治療反應(yīng)的3種公認(rèn)方法,但這3種方法在實際應(yīng)用中都表現(xiàn)出了比較大的局限性[27]。TACE栓塞腫瘤血供引起的腫瘤部分壞死,導(dǎo)致腫瘤實質(zhì)不均勻強(qiáng)化和瘤體大小形態(tài)不規(guī)則,導(dǎo)致評估TACE腫瘤反應(yīng)的3種方法得出的結(jié)果誤差較大,一定程度上影響了臨床醫(yī)生對患者治療效果的判斷[28]。近來,國際上提出了一種新的評估方法——容量評估。它是通過半自動腫瘤切割來完成的,具體做法為:⑴ 確定整個腫瘤體積;⑵ 確定增強(qiáng)腫瘤體積;⑶ 確定增強(qiáng)腫瘤體積的百分比。并且把這些方法稱為定量EASL(QEASL)和體積RECIST(VRECIST)[29]。這些方法,可以比較準(zhǔn)確的測量腫瘤體積的大小,并且通過比較治療前后腫瘤體積大小的變化幫助臨床醫(yī)生精準(zhǔn)判斷治療的效果[30]

        3.5 在增強(qiáng)CT和CE-MRI圖像上進(jìn)行肝細(xì)胞癌體積測量一致性研究的意義

        在實際工作中發(fā)現(xiàn)部分患者在治療前后所采用的肝臟影像學(xué)檢查并不一致,由于檢查費(fèi)用控制,部分患者首診和復(fù)查隨訪時僅選擇做增強(qiáng)CT或者CE-MRI檢查,兩種檢查并不全做。這就給臨床醫(yī)生帶來了困惑,兩種不同的影像學(xué)檢查所測出的腫瘤體積數(shù)據(jù)是否具有一致性?雖然大家主觀上都認(rèn)為應(yīng)該基本一致,但缺少研究數(shù)據(jù)的支撐。為了解決證實這一問題,本研究回顧性分析了60例患者的60個靶病灶,均同時進(jìn)行了增強(qiáng)CT和增強(qiáng)MRI掃描,再把數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理工作站通過半自動腫瘤分割軟件進(jìn)行腫瘤體積測算,發(fā)現(xiàn)通過兩種不同影像學(xué)檢查方法所得到的數(shù)據(jù)算出的腫瘤體積具有高度一致性,從而證實了這一判斷,解決了臨床醫(yī)生在這一問題上的困擾。

        本研究也有一定的局限性,本次研究所選取的靶病灶都是輪廓比較清晰的病灶,對于有多發(fā)轉(zhuǎn)移及浸潤性病灶,并且伴有門靜脈癌栓的患者,通過區(qū)域生長主動輪廓模型腫瘤分割來精準(zhǔn)測量腫瘤體積仍有較大的困難,如何進(jìn)行全肝多發(fā)及浸潤腫瘤病灶體積測量,這也是今后研究的方向。

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