腹部醫(yī)學圖像處理系統在胰腺外科臨床應用研究.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構關系緊密且多變，界限不易確定，因此胰腺外科手術的難度也很大，胰腺手術一直是腹部外科最復雜的手術之一。 胰、十二指腸癌作為致命的惡性腫瘤，盡管在認識、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切除局部腫瘤。一個

2、完整的手術切除又依賴于術前腫瘤及其內部與重要結構的準確成像。但由于就診時多屬中晚期，往往難以得到根治切除，腸系膜根部浸潤往往是手術難以切除的標志。由于腸系膜根部的特殊解剖結構，腸系膜動靜脈的分屬支多，位置深，手術分離難度極大，常常因此而放棄手術治療。在手術前就對其浸潤情況和可切除性進行準確評估，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難題。如何才能使醫(yī)生在手術前對這些重要因素了如指掌、術中游刃有余

3、、術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)療影像設備和計算機技術的發(fā)展以及以人體數字信息為基礎的臟器三維重建和虛擬現實技術的出現使其成為了可能。 目前，利用現代科技（虛擬現實技術）手段，將現代影像學、計算機圖像處理、胰腺解剖學和胰腺外科相結合，進行跨學科和交叉學科的研究并建立“真實”的虛擬臟器模型和仿真手術已成為研究熱點。如何用螺旋CT掃描的數據進行三維重建、重建出真正的可滿足臨床需要的、可任意旋轉和進行

4、手術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、進而對其進行仿真手術？這樣的過程對外科手術有深遠的實際意義。數字醫(yī)學技術在整形外科及骨外科已得到了一定的臨床應用，并取得了一定的成效。為此，作者將自主研發(fā)的腹部醫(yī)學圖像處理系統等數字醫(yī)學技術引入到胰腺外科的手術治療中進行研究，尋求正常胰腺的解剖數字化、胰腺疾病的解剖數字化、胰腺腫瘤可視化仿真手術的方法、意義及其向其他手術擴展的可能。 目的: 1.研究正常胰腺的解剖

5、數字化的方法及其在胰腺解剖教學中的意義。 2.研究胰腺疾病的解剖數字化的方法及其在胰腺疾病診斷，可切除性評估等1臨床應用中的意義。 3.研究個體化胰十二指腸切除仿真手術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原始數據采集：數據采集設備為荷蘭產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。對患者腹部進行平掃和動態(tài)CT增強薄層掃描（掃描范圍：膈頂至髂前上脊），并采集CT薄層掃描數據刻錄光盤備用。 （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數據DICOM格式轉換為BMP格式。采用自主開發(fā)的腹部醫(yī)學圖像處理

7、系統將分割和重建一次完成。首先在待分割的目標區(qū)域中選擇一個種子點作為生長的起始點，然后在種子點的領域中搜索那些與種子點的相似特征度滿足指定生長準則的像素，并與種子點所在區(qū)域合并。此時將新合并的像素作為新的種子點，繼續(xù)以上搜索和合并過程，直到沒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。幾個目標物體分別以STL格式導出并保存。重建出的臟器是忠實于原始數據的模型。 2.胰腺疾病的解剖數字化研究 （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原始數據采集：數據采集設備為荷蘭產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。對患者腹部進行平掃和動態(tài)CT增強薄層掃描（掃描范圍：膈頂至髂前上脊），并采集CT薄層掃描數據刻錄光盤備用。 （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。幾個目標物體分別以STL格式導出并保

10、存。 3.胰腺腫瘤可視化仿真手術研究 （1）研究對象、腹部64排CT原始數據采集、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物STL文件導入到FreeForm Modeling System-自由設計模型系統進行平滑和去除一些多余的部分和噪聲，使目標物更加光滑、真實。 （3）仿真手術過程設計：使用FreeForm Modeling System——自由設計模型系統二次開

11、發(fā)，利用系統附帶的基礎開發(fā)軟件GHOST開發(fā)出虛擬切割的手術刀、縫針線、手術剪、止血鉗、電刀等虛擬手術器械，然后利用系統的力反饋設備PHANTOM模擬手術器械對模型進行切割，建立仿真胰十二指腸切除術手術環(huán)境和過程。 （4）視頻剪輯：對上述仿真手術過程進行視頻錄像，去除多余動作，按照現實手術過程對仿真手術進行剪輯，制作出仿真胰十二指腸切除手術視頻材料并保存。 結果: 1.正常胰腺的解剖數字化研究的結果 重建

12、的胰腺模型能真實反映胰腺的實際體積和胰腺、肝臟的解剖標志，并且通過調節(jié)胰腺的透明度可同時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、腸系膜動脈等結構。醫(yī)學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。當肝臟透明度設置為0時，可

13、以完全顯示胰腺的各種管道和腹腔的血管結構。同時還能對模型放大、縮小和旋轉等其他全方位觀察的操作，通過節(jié)點的選擇控制節(jié)點所屬的管道樹枝的透明度和顏色設定來單獨或組合顯示肝臟及其管道結構各部分。 2.胰腺疾病的解剖數字化研究 除了正常胰腺解剖數字化研究所顯示的臟器結構外，還可真是再現疾病位置及其與周圍臟器的關系，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.仿真手術的結果 個體化仿真胰十二指腸

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

15、 2.胰腺疾病的解剖數字化重建的腫瘤，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系都非常清晰，有助于術前疾病診斷、可切除性評估及臨床手術時的操作。 3.在力反饋設備的基礎上進行手術器械的二次開發(fā)和個體化胰十二指腸切除仿真手術的研究，交互性、沉浸性和構象性好，模擬手術的過程和結果均比較理想，達到了比較滿意的程度，取得了初步的效果。仿真手術的主要優(yōu)點有：（1）手術方案能夠利用圖像數據，幫助醫(yī)生合理、定量地

16、制定手術方案，對于選擇最佳手術路徑、減小手術損傷、減少對臨近組織損害、提高腫瘤定位精度、執(zhí)行復雜外科手術和提高手術成功率等具有十分重要的意義。（2）。手術教學訓練。80%的手術失誤是人為因素引起的，所以手術訓練極其重要。膽、胰、胃、十二指腸聯合切除術是腹部外科中最大的手術之一，難度高、風險大，只有有條件的大型醫(yī)院里的高年資醫(yī)生才能進行。正常情況下，年輕醫(yī)生不可能有訓練的機會，培養(yǎng)周期長。有了仿真手術系統，醫(yī)生可在仿真手術系統上觀察專家手