CN103976738A - 乳腺MRI联合Mimics软件测量乳房体积的临床应用 - Google Patents

Abstract

本发明通过乳腺MRI数据导入MIMICS15.0软件内来计算乳房及乳腺体积的新方法，已在临床进行了验证，具有直观性、立体性、有效性以及精确性；通过这些优越性为乳房整形美容提供了宝贵的参考价值。其直观、立体性我们可以在三维立体模型中各个方位进行外形分析，同时还可以建立乳房后方的肌肉组织立体模型，来分析、解决手术中遇到各种情况时的处理方法。

Description

乳腺MRI联合Mimics软件测量乳房体积的临床应用

技术领域

本发明属于乳房整形美容领域，重点涉及乳腺MRI与计算机软件（MIMICS15.0）首次相结合测算乳房、乳腺体积，对乳房整形美容有指导意义。

背景技术

现如今的女性朋友们更加关注了乳房的美与健。乳房体积的准确测量是乳房整形美容的关键，无论是在手术前还是手术后的按摩矫形，都离不开乳房内部结构的体积测量。所以，选择合理的测量方法成为乳房形态研究的重中之重。

    乳腺MRI（magnetic resonance imaging）即：乳腺核磁共振成像。乳腺MRI检查有高软组织分辨率与无辐射伤害等特点，它对乳房内部结构中乳腺腺体、脂肪组织及肌肉组织的高分辨率是无可比拟的。因此我们在乳房的整形美容中，对乳房内部结构及周围组织结构的区分并建立三维图像是非常重要的，对整形美容手术有重要的指导意义。

    Mimics是比利时Materialise有限公司研发的影像处理软件，发展到今天，已经有了20多年的历史，现在已经成为了一款专业的医学影像处理软件。该软件可以将CT/MRI等断层扫面图像三维重建，在三维模型的基础上，通过不同的模块，可以应用于快速医学模型制造、生物体数据分析、假体/植入体设计、手术过程模拟等专业医学操作。在Mimics13.0以后，软件增强了对软组织的分割、提取功能，使该软件非常适合应用于乳房三维成像。

    以往对于乳房体积的测量，人们制定了很多公式、模具、立体摄像技术等等，并没有一个真正的标准。我们查阅了大量的资料，还发现人们忽略了一个重要问题，那就是乳房边界的准确定义。解剖学上，乳房边界定义为第二肋骨延伸到第六肋骨的范围，内侧到胸骨旁线，外侧可达腋中线，乳腺癌根治术的切除范围也是依据解剖学上的定义来实施的。但是依据阿基米德定律的模具法测量乳房体积时，往往只是测量了以乳头为中心突出胸壁的圆锥形部分，这仅仅是乳房的一部分。近年随着科学技术的发展，乳腺X线摄影技术、超声测量技术、生物立体照相测量技术、计算机辅助光学投射条纹测量技术等等也逐步应用到乳房体积测量方面，但是这些技术有一个共同的缺点，它们对软组织分辨率不高甚至没有，限制了乳房内部组织的体积测量，对整形手术、组织缺损修复等无法提供完善的影像学资料分析。针对以上测量技术的局限性，对软组织有高分辨率的MRI在乳房体积测量方面的优势脱颖而出。

根据查新，以往对乳房体积测量方式上述已经阐明，而针对乳腺MRI数据与MIMICS15.0软件结合进行乳房体积和乳腺体积测量的应用实属首次；我们还得到了不同年龄段的相对阈值范围，这些在相关文献中并无发表。

发明内容

本发明目的是应用乳腺MRI数据导入MIMICS15.0软件内进行三维重建乳房及乳腺外形，对乳房整形技术有指导意义；而这两者的结合，却是首次联合应用。

    本发明确立了方法的先进性；该方法具有直观性、立体性、有效性以及精确性，对乳房美容整形方面具有重要的指导意义；

    本发明还明确了乳房、乳腺的选取阈值范围，通过不同年龄段的数值比较得到规律性的结论。

    本发明对508例乳腺MRI数据与MIMICS15.0软件结合进行分析，操作方法简单概括如下：

首先采集乳腺MRI数据，将乳腺MRI数据导入MIMICS软件内，通过阈值法选取乳房及乳腺的断层图，再将每层进行叠加，之后完成乳房及乳腺的三维立体图像，双击三维模型可得到详细属性，其中就包含其体积的具体数值。我们在这组患者中抽取98名进行排水法测量乳房、乳腺体积，然后进行数据对比。

    本发明还明确在数据导入MIMICS15.0软件中划分乳房边界的详细位置。

本发明在测算乳房及乳腺腺体体积的同时，还验证了一些常见理论，比如：乳房体积随着年龄的增加而不断增大，到60岁以后，乳房体积略有减小；乳腺体积在20-29岁达到高峰，之后随着年龄的增加不断减小。针对以上众所周知的结论我们在体积测量的同时验证了其规律性。

有益效果：①直观、立体性：我们把乳腺MRI数据导入MIMICS15.0软件后，可直观、清晰的分辨出乳房内部的组织结构，还可清晰分辨出乳房与周围组织的关系层次，在进行乳房再造或假体植入前可通过软件处理后的三维模型进行评价与分析，完成对乳房整形美容的术前、术中以及术后的外观评定。②精确性：在手术中，我们选取了全乳腺切除及乳房切除的患者，用排水法测量乳房体积，和软件测量结果进行比对，发现软件测量结果与排水法测量结果非常接近，从而说明MIMICS15.0软件体积测量的精确性。

附图说明：

图1  选取乳房阈值范围；

图2  选取乳腺阈值范围；

图3、4、5  双侧乳房及腺体的三维立体模型图；

图6  举例：乳腺腺体体积值显示；  

图7  综合柱状图说明。

 

具体实施方式

材料与方法：

（1）一般临床资料：

    研究对象为2013年2月至2013年11月，就诊于吉林大学中日联谊医院乳腺外科，行乳腺MRI平扫+增强+弥散检查的患者508例，其中门诊患者245例，住院手术患者263例。均为女性患者，年龄11岁至87岁，平均43.63+10.94岁；患者体内无金属植入装置。门诊就诊原因多为单发或肿瘤数量单侧少于或等于两枚者（自愿行乳腺MRI检查）；住院手术患者为乳房彩色多普勒超声和乳腺MRI检查存在肿瘤且多发或怀疑有恶性可能者。

（2）MRI数据采集：

    患者俯卧位，双乳自然下垂行胸部MRI扫描，扫描范围自锁骨向下至肋下缘，包括胸骨柄、剑突等骨性标志点及完整胸廓。扫描序列包括冠状位T1WI，矢状位T2WI脂肪抑制，扩散加权成像及动态增强扫描。扫描参数：T1加权像，单一横断位，层厚1mm，扫描图像经数字接口传至GE公司图形工作站。以医学数字图像和通讯标准格式DICOM 3.0(Digital Imaging and Communications in Medicine)输出、保存。

（3）MRI数据导入计算机软件：

    将保存的DICOM格式的图像全部拷贝到分析用计算机。打开Mimics 15.0，选择Import Images，选中一名患者的所有MRI图像，导入软件中。

（4）生成双侧乳房三维模型：

    在Mimics 15.0平台下进行乳房组织的范围选取和三维重建。先设定三维模型的生成范围为乳房的立方体区域，之后调整图像的对比度，使该区域的不同亮度的组织的边界更为清晰，然后通过设定合适的阈值完成对乳房整体的选取。由于乳房组织的边界较为模糊，因此需要人工标定边界的方法来辅助计算机进行区域选择。最终通过对全部选定区域的三维计算，生成双侧乳房的三维模型。

（5）生成双侧乳房腺体三维模型：

    由于乳房中的脂肪和腺体在MRI图像中显示的亮度不同，所以我们可以根据MRI图像来测量乳房中腺体的体积。调节适当的阈值，直到腺体和脂肪被区分开来。通过选取颜色较亮的部分，我们可以生成腺体的三维模型。

（6）生成双侧乳房和腺体结合三维模型：

    乳房和腺体结合的三维模型更有利于观察腺体在乳房中的位置和大小。通过同时显示乳房和腺体的三维模型，并设置乳房三维模型的透明度，我们可以看到腺体在乳房中的情况。

（7）体积测量：

在生成需要的各部分的三维模型后，Mimics 15.0提供了直接对三维模型进行体积测量的功能。双击所要测量的三维模型，直接可以生成该三维模型的各种属性，其中就包含了体积。

（8）排水法测量乳房、乳腺体积

     选取单侧乳腺癌患者，一侧采取根治性手术，对侧乳房行皮下腺体切除术。其中508例入院患者中有132名患者为乳腺癌患者，采取双侧乳腺切除患者为98名。这98名乳腺癌患者均为Ⅰ、Ⅱ期范围内的乳腺癌，癌组织直径不大于3cm，且患者进行排水法测量乳房及乳腺体积；具体实施方法为：

    1）针对不同大小乳房的患者选择适合的量杯，将受试者的双侧乳房自然下垂，量杯内盛满水，将一侧乳房完全侵入量杯内，当乳房挪出量杯后，位于量杯侧壁的刻度值可以显示排除水的体积，并记录为一侧乳房的体积值，对侧乳房采取同样的方法进行记录。

2）手术后，将双侧乳房皮下腺体完整切除后，将腺体表面的脂肪组织完整剔除，将完整腺体置入量杯内，计算排出水的体积值。

结果：

（1）阈值范围的界定：

根据数值的初步界定，我们看出随着年龄的增长，阈值范围呈现先上升后下降的趋势，其主要原因就是女性乳房经历发育——成熟——萎缩的过程，乳房整体及内部腺体阈值也随之变化。

表1  乳房及乳腺体积测量阈值范围

年龄	乳腺体积测量阈值范围	乳房体积测量阈值范围
			20岁以下	196-235	10-35
20-29岁	228-253	33-37
			30-39岁	235-287	40-56
40-49岁	215-315	36-55
			50-59岁	239-270	13-37
60岁以上	178-190	12-19

（2）不同年龄组人数分布比例：

    40-49岁患者进行乳房普查和就诊的比例约占全部患者比例的一半，远远超过了其他年龄段，其次是30-39岁和50-59岁患者。40-49岁年龄段正是女性乳腺癌高发年龄段，这一年龄段女性对自身乳房健康的关注程度远高于其他年龄段。

表2  508例患者乳腺MRI在不同年龄段报告统计

年龄	例数（合计508例）	百分比（合计 %）
			20岁以下	8	1.57
20-29岁	42	8.27
			30-39岁	104	20.47
40-49岁	220	43.31
			50-59岁	100	19.68
60岁以上	34	6.70

（3）乳房及乳腺腺体体积统计：

    随着年龄增加，乳房体积基本呈增加趋势，而乳腺体积于20-29岁达到高峰，之后呈下降趋势。这说明随着年龄的增加，乳房体积的增加是由于乳房中的脂肪组织增加引起的。随着年龄增加，%FGV在20-29岁达到高峰，之后呈下降趋势，且从20-29岁到30-39岁及40-49岁到50-59岁下降幅度比较大。纵观各个年龄段，不论乳房体积的比较，还是乳腺体的比较，90%以上患者都是右乳大于左乳。

表3  不同年龄段患者依据乳腺MRI三维重建测出的乳房和腺体体积的统计

注：M_左乳房代表左侧乳房平均体积，M_左乳腺代表左侧乳腺平均体积，%FGV_左代表左侧乳腺体积与左侧乳房体积的绝对比值（%FGV：absolute fibroglandular volume）；M_右乳房代表右侧乳房平均体积，M_右乳腺代表右侧乳腺平均体积，%FGV_右代表右侧乳腺体积与右侧乳房体积的绝对比值。 * 代表30-39岁、40-49岁、50-59岁三个年龄段患者左右乳房体积大小差异具有统计学意义（p＜0.05）。

（4）应用排水法测量乳房及乳腺体积

接受测量的患者共计98人，我们应用临床最常用的排水法进行测量乳房及乳腺体积，我们通过与计算机软件测得的数值进行对比（无20岁以下和60岁以上组）。恶性肿瘤集中人群依然在40-49岁这个年龄段。排水法测量的乳房体积多较软件测量值偏小，而排水法测量的乳腺体积均比软件测量体积偏大。排水法测量乳房及乳腺体积时标准差值均较软件法对应年龄段标准差值大，尤其是腺体的标准差值偏大明显，说明排水法测量乳房、乳腺体积的不稳定性。

表4   排水法测量乳房、乳腺体积

临床优势：

    目前整形外科现有的体积测量方法多用的是排水法和经验公式法，我们为了进行对比，在508名患者中抽取98名恶性肿瘤患者应用排水法测量乳房、乳腺体积，测得值进行对比，再加上实际情况的分析得出：排水法所测得的乳房体积偏小是因为不能将解剖范围内的乳房完全置入容器内，因此测得数值偏小；而乳腺表面的脂肪组织去除后而腺体内部仍存在脂肪样组织，不能完全去除，因此乳腺体积测量多是偏大的。其他方法也不能清晰的分辨出乳房内部结构和与周围组织的层次关系。

    我们通过乳腺MRI数据导入MIMICS15.0软件内来计算乳房及乳腺体积的方法，已在临床进行了验证，具有直观性、立体性、有效性以及精确性；通过这些优越性为乳房整形美容提供了宝贵的参考价值。其直观、立体性我们可以在三维立体模型中各个方位进行外形分析，同时还可以建立乳房后方的肌肉组织立体模型，来分析、解决手术中遇到各种情况时的处理方法；经过临床验证，也明确了其有效性和精确性。

我们通过乳腺MRI的数据导入Mimics15.0，测算乳房及乳腺体积的同时验证了乳房发展规律。解决了乳腺外科对乳房体积数据的需求，能够协助乳房再造、I、II期假体植入术。虽然计算机软件测算体积过程相对繁琐，但所得数值准确程度高；我们希望在今后会有更方便操作的软件，缩短操作时间，为临床医师提供更加丰富的数据。

阈值确定及乳房范围选取问题

    我们采取的是在同一操作软件系统下，由两个人按相同步骤进行操作，将所得数值进行记录，通过两个人的数值对比无较大差异性。由于个体差异，有的人脂肪含量稍多些，有的则少些，因此脂肪含量稍多的就偏向阈值范围内的最低值，少的则偏向最高值。

    通过手术切除的乳腺组织进行排水法进行体积测量，然后与术前应用MRI进行测量的乳腺体积进行对比。结果显示术中测得体积较MRI测得体积均偏大，我们考虑腺体内含有脂肪成分造成的。然后我们再次应用MRI，调取该患者核磁信息，重新进行测量其体积，调整阈值所得到与术中切除体积一致，但覆盖度不准确。我们通过这种方法进行反复测量数例患者，得出如下结论：我们认为在MRI下所测量的乳腺腺体体积是较准确的，因为它通过调整阈值，把周围及内部多余的脂肪层也排除在外，这样就能纯粹的把乳腺腺体层单独划分出来，并精确地测量其体积数值。

    在确定乳房范围是根据解剖学定义进行划分的，因此，此次研究人为的暂定为解剖学意义的乳房范围，我们仍需要在今后的工作中进行深入探索，最终明确MRI乳房划分范围问题。

以往测量方法与MRI测量的对比

    乳房体积的测量从二维发展到三维，其各式各样的测量方法均有其缺点，难以推广成为乳房体积测量的金标准。如：①经验公式法：手工操作难以标准化，仅适用于特定人群如未婚女性。②依据阿基米德定律的模具法：乳房置入口为平口，与胸廓具有的弧度特点不符。③乳腺X线摄影技术：X线摄影有放射性损害。④超声测量技术：超声探头挤压乳房使其变形，对测量结果人为因素影响大。⑤生物立体照相测量技术:不能完整显示乳房内部组织结构，无法独立分离腺体层。⑥计算机辅助光学投射条纹测量技术：只能在暗室中操作，也不能完整显示乳房内部组织结构。⑦基于数码照片乳房体积测量技术：测试者产生的视差影响大。⑧三维扫描技术：不能得到乳房后面即胸大肌表面的数据。⑨CT三维重建技术：价格昂贵，有一定放射线辐射，对软组织分辨率不高。

    本次研究通过核磁和排水法测量乳房体积、腺体体积的比较，证明了核磁在测量乳房体积方面的可行性与准确性。核磁对软组织比如乳房下面的胸大肌有着极高的分辨率，是其他方法无法比拟的。并且通过计算机处理可以得到乳房的三维立体结构，清楚显示出乳房内部的病变，在乳房疾病的诊断和治疗方面有着其独特的优越性。

乳房体积不对称性

    本次研究表明，不论乳房体积的比较，还是乳房腺体的比较，90%以上患者都是右乳大于左乳。30-39岁、40-49岁、50-59岁三个年龄段患者左右乳房体积大小差异具有统计学意义（p＜0.05）；20岁以下、20-29岁、60岁以上三个年龄段患者左右乳房体积大小差异不具有统计学意义（p＞0.05），我们考虑这三个年龄段患者例数过少的原因所致。女性两侧乳房不对称性的情况比较常见，其原因主要有以下几个方面：①胚胎发育过程中，一侧乳房始基发育异常。②哺乳期经常授乳的一侧乳房在断乳后，乳房腺体较对侧更易萎缩变小。③胸肌隆起程度的不同，比如习惯右手做事情的人，右侧胸肌更发达而导致右乳看起来体积更大。④乳房的器质性疾病，如乳腺癌引起的乳房体积大小改变。⑤脊柱侧凸引起双乳发育不对称。双乳体积相差不明显时，我们可以通过按摩、锻炼较小侧胸肌等方式改变双乳的不对称性，当双乳体积相差较大时，可以酌情考虑乳房整形手术来纠正。

女性乳房体积随年龄阶段变化的一般规律

    本次研究表明，女性乳房年龄阶段变化符合一般生长规律。20-29岁是妇女生育年龄，乳房腺体受雌激素、孕激素及催乳素的影响而增大，而停止哺乳后腺体逐渐萎缩，所以产生%FGV的大幅度下降。45-55岁是妇女的绝经期，乳房腺体由于缺乏卵巢分泌的性激素的刺激而逐渐萎缩，脂肪组织逐渐代替腺体层，所以产生第二次%FGV的大幅度下降。我们通过图表5直观的得出：疾病的发生主要集中在40-49岁之间；乳房体积随着年龄的增加而不断增大，而乳腺腺体体积再不断缩减。

结论：

    临床优势：乳腺MRI联合MIMICS15.0软件三维重建测量乳房体积的临床应用具有先进性，从直观性、立体性、有效性以及精确性四方面得到体现，能够协助乳房再造和I、II期假体植入术，为临床提供宝贵、丰富的数据。

临床数据：我们通过508例乳腺疾病患者乳房体积的测量，对阈值的调整会有个基本的范围，确定操作方法及阈值数值，是我们首要的工作；

    范围划定：应用解剖学对乳房的定义，确定了在MRI下划分乳房区域的问题；

    发现规律：整体患者中，通过双乳MRI体积测量，发现90%以上人的右侧乳房大于左侧乳房体积；

验证理论：通过508例乳腺核磁的体积测算及年龄段间的对比，我们得到了一个结论：随着年龄的增大、脂肪的堆积，乳房的整体体积是不断增加的，但腺体层在不断缩小。

Claims (5)

1.乳腺MRI联合MIMICS15.0软件三维重建测量乳房体积的临床应用。

2.如权利要求1所述用途，其中所述的应用是测量508名女性的双侧乳房及乳腺体积，揭示并验证女性乳房、乳腺体积的变化规律。

3.如权利要求1所述方法，其中所述的应用方法是将乳腺MRI数据导入MIMICS15.0软件中，经过限定阈值将乳房以及乳腺进行三维立体成像，分别计算体积值。

4.如权利要求1所述方法，其中所述的方法中，在MIMICS15.0软件内把乳房边界按解剖范围进行划分。

5.如权利要求1-4的用途与方法，乳腺MRI与MIMICS15.0软件在国内乃至国外实属首次相结合，并进行乳房及乳腺体积测量，过程中我们进行了大样本量的测量，并将阈值、体积值详细记录在案，寻找规律性，把不同年龄段人的乳房、乳腺体积进行对比分析，对乳房再造以及乳癌术后Ⅰ、Ⅱ期假体植入术具有重要的指导意义。