腹部醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)在胰腺外科臨床應(yīng)用研究.pdf

1、胰腺是腹膜外位器官，深藏于腹膜后，解剖位置深在，質(zhì)地柔軟，腺體特征明顯，欠缺有形器官的固定形狀，故胰腺疾病的發(fā)病比較隱匿。由于胰腺與周圍重要結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密且多變，界限不易確定，因此胰腺外科手術(shù)的難度也很大，胰腺手術(shù)一直是腹部外科最復(fù)雜的手術(shù)之一。 胰、十二指腸癌作為致命的惡性腫瘤，盡管在認(rèn)識、診斷、獲得常規(guī)和新型的治療方法等方面取得重大的進(jìn)展，其仍然有偏高的死亡率和較低的生存率[1]。治療胰腺癌是依賴于完整的手術(shù)切除局部腫瘤。一個(gè)

2、完整的手術(shù)切除又依賴于術(shù)前腫瘤及其內(nèi)部與重要結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確成像。但由于就診時(shí)多屬中晚期，往往難以得到根治切除，腸系膜根部浸潤往往是手術(shù)難以切除的標(biāo)志。由于腸系膜根部的特殊解剖結(jié)構(gòu)，腸系膜動靜脈的分屬支多，位置深，手術(shù)分離難度極大，常常因此而放棄手術(shù)治療。在手術(shù)前就對其浸潤情況和可切除性進(jìn)行準(zhǔn)確評估，安全而徹底根治切除浸潤腸系膜根部的胰腺惡性腫瘤成為胰腺外科治療胰十二指腸癌的一個(gè)難題。如何才能使醫(yī)生在手術(shù)前對這些重要因素了如指掌、術(shù)中游刃有余

3、、術(shù)后放心大膽一直是肝膽外科甚至所有外科醫(yī)生夢寐以求的事情。隨著醫(yī)療影像設(shè)備和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及以人體數(shù)字信息為基礎(chǔ)的臟器三維重建和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)使其成為了可能。 目前，利用現(xiàn)代科技（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）手段，將現(xiàn)代影像學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像處理、胰腺解剖學(xué)和胰腺外科相結(jié)合，進(jìn)行跨學(xué)科和交叉學(xué)科的研究并建立“真實(shí)”的虛擬臟器模型和仿真手術(shù)已成為研究熱點(diǎn)。如何用螺旋CT掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建、重建出真正的可滿足臨床需要的、可任意旋轉(zhuǎn)和進(jìn)行

4、手術(shù)的切割和分離的三維立體空間圖像、并且具有力反饋的感覺、進(jìn)而對其進(jìn)行仿真手術(shù)？這樣的過程對外科手術(shù)有深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在整形外科及骨外科已得到了一定的臨床應(yīng)用，并取得了一定的成效。為此，作者將自主研發(fā)的腹部醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)等數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)引入到胰腺外科的手術(shù)治療中進(jìn)行研究，尋求正常胰腺的解剖數(shù)字化、胰腺疾病的解剖數(shù)字化、胰腺腫瘤可視化仿真手術(shù)的方法、意義及其向其他手術(shù)擴(kuò)展的可能。 目的: 1.研究正常胰腺的解剖

5、數(shù)字化的方法及其在胰腺解剖教學(xué)中的意義。 2.研究胰腺疾病的解剖數(shù)字化的方法及其在胰腺疾病診斷，可切除性評估等1臨床應(yīng)用中的意義。 3.研究個(gè)體化胰十二指腸切除仿真手術(shù)方法及其在治療胰腺、十二指腸腫瘤中的臨床意義。 方法: 1.正常胰腺的解剖數(shù)字化研究 （1）研究對象：正常志愿者，女性，27歲，身高1.58米，體重54公斤。 （2）腹部64排CT原始數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集設(shè)備為荷蘭產(chǎn)PHILI

6、PS64排螺旋CT。高壓注射器采用MEDRAD雙簡高壓注射器（美國）。圖像后處理工作站為PHILIPS Brilliance64層螺旋CT自帶的Mxview工作站。對患者腹部進(jìn)行平掃和動態(tài)CT增強(qiáng)薄層掃描（掃描范圍：膈頂至髂前上脊），并采集CT薄層掃描數(shù)據(jù)刻錄光盤備用。 （3）圖像分割和三維重建：圖像分割第一步同手工分割，也是先用DICOM查看軟件將采集的患者CT數(shù)據(jù)DICOM格式轉(zhuǎn)換為BMP格式。采用自主開發(fā)的腹部醫(yī)學(xué)圖像處理

7、系統(tǒng)將分割和重建一次完成。首先在待分割的目標(biāo)區(qū)域中選擇一個(gè)種子點(diǎn)作為生長的起始點(diǎn)，然后在種子點(diǎn)的領(lǐng)域中搜索那些與種子點(diǎn)的相似特征度滿足指定生長準(zhǔn)則的像素，并與種子點(diǎn)所在區(qū)域合并。此時(shí)將新合并的像素作為新的種子點(diǎn)，繼續(xù)以上搜索和合并過程，直到?jīng)]有可以合并的像素為止。對于那些與周圍組織密度差別不大，或不方便用三維立體分割的組織器官可以用單張二維分割方法進(jìn)行分割后再重建。本部分感興趣的組織器官有胰腺、脾臟、肝臟、肝動脈、肝靜脈、膽囊、腹主動脈

8、、下腔靜脈、門靜脈等。幾個(gè)目標(biāo)物體分別以STL格式導(dǎo)出并保存。重建出的臟器是忠實(shí)于原始數(shù)據(jù)的模型。 2.胰腺疾病的解剖數(shù)字化研究 （1）研究對象：A女性，35歲，胰頭癌患者，體重48公斤，身高1.64米；B女性，42歲，十二指腸乳頭癌患者，體重43公斤，身高1.56米；C男性，56歲，胰體尾部癌患者，體重64公斤，身高1.73米。 （2）腹部64排CT原始數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集設(shè)備為荷蘭產(chǎn)PHILIPS64排螺旋CT

9、。高壓注射器采用MEDRAD雙筒高壓注射器（美國）。圖像后處理工作站為PHILIPS Brilliance64層螺旋CT自帶的Mxview工作站。對患者腹部進(jìn)行平掃和動態(tài)CT增強(qiáng)薄層掃描（掃描范圍：膈頂至髂前上脊），并采集CT薄層掃描數(shù)據(jù)刻錄光盤備用。 （3）圖像分割和三維重建：方法同第一部分。本部分感興趣的組織器官有胰腺、脾臟、肝臟、肝動脈、肝靜脈、膽囊、腹主動脈、下腔靜脈、門靜脈、腫瘤等。幾個(gè)目標(biāo)物體分別以STL格式導(dǎo)出并保

10、存。 3.胰腺腫瘤可視化仿真手術(shù)研究 （1）研究對象、腹部64排CT原始數(shù)據(jù)采集、圖像分割和三維重建同第二部分。 （2）光滑、除噪：將第二部分三維重建出來的目標(biāo)物STL文件導(dǎo)入到FreeForm Modeling System-自由設(shè)計(jì)模型系統(tǒng)進(jìn)行平滑和去除一些多余的部分和噪聲，使目標(biāo)物更加光滑、真實(shí)。 （3）仿真手術(shù)過程設(shè)計(jì)：使用FreeForm Modeling System——自由設(shè)計(jì)模型系統(tǒng)二次開

11、發(fā)，利用系統(tǒng)附帶的基礎(chǔ)開發(fā)軟件GHOST開發(fā)出虛擬切割的手術(shù)刀、縫針線、手術(shù)剪、止血鉗、電刀等虛擬手術(shù)器械，然后利用系統(tǒng)的力反饋設(shè)備PHANTOM模擬手術(shù)器械對模型進(jìn)行切割，建立仿真胰十二指腸切除術(shù)手術(shù)環(huán)境和過程。 （4）視頻剪輯：對上述仿真手術(shù)過程進(jìn)行視頻錄像，去除多余動作，按照現(xiàn)實(shí)手術(shù)過程對仿真手術(shù)進(jìn)行剪輯，制作出仿真胰十二指腸切除手術(shù)視頻材料并保存。 結(jié)果: 1.正常胰腺的解剖數(shù)字化研究的結(jié)果 重建

12、的胰腺模型能真實(shí)反映胰腺的實(shí)際體積和胰腺、肝臟的解剖標(biāo)志，并且通過調(diào)節(jié)胰腺的透明度可同時(shí)顯示胰腺和胰十二指腸上前動脈、胰十二指腸上后動脈、胰十二指腸下前動脈、胰十二指腸下后動脈、胰腺上靜脈、胰腺下靜脈、肝動脈、肝靜脈、門靜脈各分支；腹主動脈、腹腔動脈干及其分支胃十二指腸動脈、雙腎動脈、胃右、左動脈、肝固有動脈、脾動脈、腸系膜動脈等結(jié)構(gòu)。醫(yī)學(xué)解剖圖譜上所顯示的全部血管均可重建。重建的臟器和管道形態(tài)逼真，立體感強(qiáng)。當(dāng)肝臟透明度設(shè)置為0時(shí)，可

13、以完全顯示胰腺的各種管道和腹腔的血管結(jié)構(gòu)。同時(shí)還能對模型放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等其他全方位觀察的操作，通過節(jié)點(diǎn)的選擇控制節(jié)點(diǎn)所屬的管道樹枝的透明度和顏色設(shè)定來單獨(dú)或組合顯示肝臟及其管道結(jié)構(gòu)各部分。 2.胰腺疾病的解剖數(shù)字化研究 除了正常胰腺解剖數(shù)字化研究所顯示的臟器結(jié)構(gòu)外，還可真是再現(xiàn)疾病位置及其與周圍臟器的關(guān)系，其血供情況及血液引流途徑，是否浸犯到周圍血管和其他臟器。 3.仿真手術(shù)的結(jié)果 個(gè)體化仿真胰十二指腸

14、切除仿真手術(shù)均接近實(shí)際操作，結(jié)果顯示腫瘤無殘留，達(dá)到理想的手術(shù)效果。視頻完全按照實(shí)際手術(shù)過程進(jìn)行，動作流暢、逼真、接近現(xiàn)實(shí)。 結(jié)論: 1.對64排螺旋CT腹部掃描數(shù)據(jù)，采用自主開發(fā)的醫(yī)學(xué)圖像處理來分割圖像，三維重建胰腺、肝臟及其內(nèi)部血管、腹腔血管，重建的胰腺、胰周血管形態(tài)逼真，立體感強(qiáng)，尤其是腹腔動脈系統(tǒng)管道形象生動，動脈的各級分支的走向、管徑的大小以及血管之間關(guān)系清晰，有助于胰腺及胰周血管的臨床教學(xué)和肝臟血管的研究。

15、 2.胰腺疾病的解剖數(shù)字化重建的腫瘤，腫瘤的大小、形狀、空間位置、是否浸犯周圍臟器、與胰腺周圍血管的關(guān)系都非常清晰，有助于術(shù)前疾病診斷、可切除性評估及臨床手術(shù)時(shí)的操作。 3.在力反饋設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行手術(shù)器械的二次開發(fā)和個(gè)體化胰十二指腸切除仿真手術(shù)的研究，交互性、沉浸性和構(gòu)象性好，模擬手術(shù)的過程和結(jié)果均比較理想，達(dá)到了比較滿意的程度，取得了初步的效果。仿真手術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）手術(shù)方案能夠利用圖像數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生合理、定量地

16、制定手術(shù)方案，對于選擇最佳手術(shù)路徑、減小手術(shù)損傷、減少對臨近組織損害、提高腫瘤定位精度、執(zhí)行復(fù)雜外科手術(shù)和提高手術(shù)成功率等具有十分重要的意義。（2）。手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練。80%的手術(shù)失誤是人為因素引起的，所以手術(shù)訓(xùn)練極其重要。膽、胰、胃、十二指腸聯(lián)合切除術(shù)是腹部外科中最大的手術(shù)之一，難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，只有有條件的大型醫(yī)院里的高年資醫(yī)生才能進(jìn)行。正常情況下，年輕醫(yī)生不可能有訓(xùn)練的機(jī)會，培養(yǎng)周期長。有了仿真手術(shù)系統(tǒng)，醫(yī)生可在仿真手術(shù)系統(tǒng)上觀察專家手