膽道系統(tǒng)結(jié)石腹腔鏡及開(kāi)腹手術(shù)虛擬可視化研究.pdf

1、目的：
　　 1、研究可視化虛擬仿真技術(shù)在腹腔鏡膽囊切除術(shù)、腹腔鏡膽總管切開(kāi)引流及左肝外葉切除術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值。
　　 2、研究可視化虛擬仿真技術(shù)在復(fù)雜肝膽管結(jié)石手術(shù)方式合理選擇及再次膽道手術(shù)中的臨床應(yīng)用價(jià)值。
　　 方法：
　　 采用優(yōu)化的64排螺旋CT掃描技術(shù),收集膽囊結(jié)石、膽總管結(jié)石及肝膽管結(jié)石亞毫米圖像數(shù)據(jù),應(yīng)用自主研發(fā)的,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的腹部醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)進(jìn)行三維重建和輔助診斷；然后應(yīng)用

2、虛擬器械及仿真手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行膽道系統(tǒng)結(jié)石病例的可視化仿真手術(shù)。
　　 1、膽囊結(jié)石個(gè)體化腹腔鏡虛擬可視化手術(shù)研究
　　 1.1研究對(duì)象:患者,女,43歲,上腹痛反復(fù)發(fā)作10余年,診斷為“膽囊結(jié)石并慢性膽囊炎”。
　　 1.2設(shè)備
　　 64排螺旋CT-PHILIPS Brilliance64；圖像后處理工作站為PHILIPS Brilliance64層螺旋CT自帶的Mxview工作站；FreeFormMod

3、eling System；力反饋設(shè)備PHANToM；ACDSee9 Message Center；MI-3DVS。
　　 1.3腹腔鏡器械的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)
　　 本研究在課題組前期簡(jiǎn)單開(kāi)腹手術(shù)器械的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究虛擬腹腔鏡手術(shù)器械。具體方法包括3個(gè)步驟,即幾何建模、運(yùn)動(dòng)建模及物理建模。在FreeForm Modeling System中應(yīng)用帶力反饋裝置的PHANToM可操縱這些器械進(jìn)行虛擬手術(shù)。我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的腹腔鏡虛擬手術(shù)

4、器械包括TORCAR、電凝鉤、組織鉗、鈦央鉗、剪刀、膽道鏡、超聲刀等,電刀及剪刀賦予一定的組織切割功能。
　　 1.4膽囊結(jié)石病例CT掃描參數(shù)的設(shè)定及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
　　 常規(guī)平掃時(shí)患者取仰臥位,頭足方向,由膈頂至肝臟下緣,掃描條件120KV、250mAs；采用0.625x64排探測(cè)器組合,以層厚5mm、間隔5mm、螺距0.984、球管旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間0.5s。動(dòng)脈期掃描延時(shí)時(shí)間為20～25s,門(mén)脈期為延時(shí)50～55s。掃描結(jié)束后

5、將圖像數(shù)據(jù)傳至Mxview工作站,在Mxview工作站進(jìn)行三期數(shù)據(jù)(平掃期、動(dòng)脈期和門(mén)脈期)的刻盤(pán)存貯。格式為DICOM(Digital Imaging andCommunications in Medicine)3.0,然后通過(guò)DICOM查看器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BMP格式。
　　 1.5圖像分割及三維重建
　　 本研究的分割方法采用閾值分割法與區(qū)域生長(zhǎng)法,三維分割與二維分割相結(jié)合方式進(jìn)行。利用MxliteView DICOM

6、 Viewer閱讀64排CT掃描數(shù)據(jù),調(diào)整適當(dāng)?shù)拇皩捄痛拔?并將以.DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)出并轉(zhuǎn)化成JPEG格式存盤(pán),將JPEG文件導(dǎo)入ACDSee 9 Message Center轉(zhuǎn)化成BMP文件,并調(diào)整圖像大小后導(dǎo)入自主開(kāi)發(fā)的MI-3DVS進(jìn)行分割,分割后的圖像文件進(jìn)行三維重建,并以STL格式的文件輸出,重建后的模型導(dǎo)入FreeForm Modeling System進(jìn)行平滑和修飾。
　　 1.5.1肝臟、膽道系統(tǒng)及腹腔血管圖像分

7、割
　　 采用自行設(shè)計(jì)的分割軟件MI-3DVS,以自適應(yīng)的區(qū)域生長(zhǎng)算法對(duì)肝臟、膽道系統(tǒng)及其周?chē)芟到y(tǒng)進(jìn)行序列分割,得到分割后的肝臟、膽道系統(tǒng)、腹主動(dòng)脈、腹腔動(dòng)脈及其分支、門(mén)靜脈、肝靜脈系統(tǒng)等的STL(STereo Lithography)格式數(shù)據(jù)。其中膽道系統(tǒng)及結(jié)石的分割要求盡量精準(zhǔn)。
　　 1.5.2胸腹壁組織及腹腔的分割
　　 以自適應(yīng)區(qū)域生長(zhǎng)算法對(duì)胸腹壁組織包括皮膚、肋骨、胸骨、脊柱等進(jìn)行序列分割,分別得

8、到各組織的分割后的STL數(shù)據(jù)。
　　 1.5.3胸腹壁、肝臟及其血管、膽道系統(tǒng)等的三維重建
　　 將分割圖像的STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入FreeForm Modeling System進(jìn)行平滑和去除一些燥聲,然后系統(tǒng)根據(jù)各組織臟器的真實(shí)空間位置關(guān)系自動(dòng)配置成一整套的臟器三維重建模型,對(duì)模型及各組成部分可以進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、透明等操作,全方位觀察各結(jié)構(gòu)或細(xì)節(jié)。
　　 1.6腹腔鏡手術(shù)環(huán)境建立及腹腔鏡膽囊切除術(shù)仿真可視化

9、
　　 腹腔鏡手術(shù)體位與開(kāi)腹手術(shù)有所不同,利用FreeForm Modeling System圖像旋轉(zhuǎn)一移動(dòng)工具可將腹壁及腹腔臟器三維重建模型設(shè)置左側(cè)臥30°,頭高腳低仰臥位,使與實(shí)際腹腔鏡膽囊切除術(shù)體位一致。腹腔鏡手術(shù)術(shù)者視角與開(kāi)腹手術(shù)相比也較為固定,通常更接近水平前后位,有時(shí)為了顯示特定組織結(jié)構(gòu),還可將30°鏡進(jìn)行旋轉(zhuǎn),利用FreeForm Modeling System水平及縱向旋轉(zhuǎn)工具,以肚臍為參考點(diǎn),將視角調(diào)整至水平3

10、0°角左右即可滿足要求。此外以FreeFormModeling System軟件工作窗模擬腹腔鏡手術(shù)顯示器屏幕,通過(guò)對(duì)工作窗放大/縮小、左右平移等操作模擬攝像頭進(jìn)退、掃視及旋轉(zhuǎn)等功能也較為方便。然后利用力反饋設(shè)備PHANTOM和自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的腹腔鏡手術(shù)器械進(jìn)行腹腔鏡下膽囊切除術(shù)的重要手術(shù)步驟的虛擬仿真。
　　 2、肝內(nèi)外膽管結(jié)石個(gè)體化腹腔鏡虛擬可視化手術(shù)研究
　　 2.1、研究對(duì)象:患者,男,45歲,發(fā)現(xiàn)膽總管結(jié)石3年,

11、上腹痛反復(fù)發(fā)作1年余,CT提示“左肝外葉膽管結(jié)石,膽總管結(jié)石,肝內(nèi)外膽管擴(kuò)張”。
　　 2.2、患者64排CT原始掃描數(shù)據(jù)的采集、圖像分割及三維重建同“1.4”及“1.5”。
　　 2.3、腹腔鏡器械的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)同“1.3”
　　 2.4、腹腔鏡手術(shù)環(huán)境建立同“1.6”,腹腔鏡下虛擬膽總管切開(kāi)取石引流及左肝外葉切除術(shù)手術(shù)步驟。
　　 3、肝膽管結(jié)石三維重建及開(kāi)腹手術(shù)仿真可視化研究
　　 3.1研究對(duì)

12、象:收集我院自2008年10月至2009年10月22例肝膽管結(jié)石患者64排螺旋CT數(shù)據(jù),選其中代表性的4個(gè)病例進(jìn)行分析說(shuō)明:例1:葉XX,女性,ID:161510,53歲,腹痛反復(fù)發(fā)作10年入院,CT提示:左肝外葉內(nèi)膽管結(jié)石。例2:謝XX,ID:115350,女性,45歲,因B超發(fā)現(xiàn)肝膽管結(jié)石3年余收入院,入院時(shí)CT提示:肝內(nèi)膽管結(jié)石,肝膽管擴(kuò)張積氣。例3:李XX,ID:110230,女性,45歲,上腹痛反復(fù)發(fā)作1年余入院,CT提示:肝

13、膽管顯著擴(kuò)張,左右肝內(nèi)膽管及膽總管結(jié)石。例4:鄭XX,ID:1316277,女性,52歲,上腹部反復(fù)疼痛發(fā)作十余年入院,CT提示:左、右肝內(nèi)膽管結(jié)石及膽管擴(kuò)張,膽總管結(jié)石。
　　 3.2儀器與設(shè)備同“1.2”
　　 3.3患者64排螺旋CT原始掃描數(shù)據(jù)的采集、圖像分割、三維重建同“1.4”
　　 3.4.肝膽管結(jié)石的可視化仿真手術(shù)
　　 在FreeForm Modeling System中對(duì)三維重建模型及

14、各組成部分進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、透明等操作,全方位觀察各結(jié)構(gòu)或細(xì)節(jié),根據(jù)結(jié)石分布、膽道系統(tǒng)及肝臟病變情況選擇合理手術(shù)預(yù)案,利用力反饋設(shè)備PHANTOM和自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的開(kāi)腹手術(shù)器械進(jìn)行肝膽管結(jié)石的仿真可視化手術(shù),以確定手術(shù)預(yù)案可行性,并與實(shí)際手術(shù)情況對(duì)照,以探究該技術(shù)的臨床應(yīng)用價(jià)值。
　　 4、再次手術(shù)肝膽管結(jié)石三維重建及仿真可視化研究
　　 4.1研究對(duì)象:收集我院自2008年10月至2010年1月20例再次肝膽管結(jié)石患

15、者64排螺旋CT數(shù)據(jù),選其中代表性的3個(gè)病例進(jìn)行分析說(shuō)明:例1:吳XX,ID:1145376,女性,45歲,上腹部疼痛反復(fù)發(fā)作10余年入院,5年前于外院行“膽道探查術(shù)”(具體手術(shù)方式不詳),CT提示:左肝內(nèi)膽管結(jié)石,肝門(mén)部低密度灶性質(zhì)待查。例2:黎XX,ID:1195132,女性,56歲,因上腹痛反復(fù)發(fā)作10余年,再發(fā)加重1天入院,既往有2次膽道手術(shù)史(手術(shù)方式均為膽總管切開(kāi)探查取石引流術(shù)),CT提示:左、右肝內(nèi)膽管及膽總管結(jié)石,肝內(nèi)外

16、膽管擴(kuò)張。例3:伍XX,ID:1293786,女性,46歲,因上腹痛反復(fù)發(fā)作8余年,再發(fā)加重10天入院,既往有2次膽道手術(shù)史(手術(shù)方式均為膽總管切開(kāi)探查取石引流術(shù)),CT提示:肝內(nèi)外膽管擴(kuò)張,肝內(nèi)結(jié)石彌漫分布,膽總管巨大結(jié)石。
　　 4.2儀器與設(shè)備同“1.2”
　　 4.3患者64排螺旋CT原始掃描數(shù)據(jù)的采集、圖像分割、三維重建同“1.4”
　　 4.4再次手術(shù)肝膽管結(jié)石患者的可視化仿真手術(shù)
　　 在F

17、reeForm Modeling System中對(duì)三維重建模型及各組成部分進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、透明等操作,全方位觀察各結(jié)構(gòu)或細(xì)節(jié),根據(jù)結(jié)石分布、膽道系統(tǒng)及肝臟病變情況力求找出結(jié)石復(fù)發(fā)的因?yàn)?并選擇合理手術(shù)方案,利用力反饋設(shè)備PHANTOM和自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的開(kāi)腹手術(shù)器械進(jìn)行肝膽管結(jié)石的虛擬仿真手術(shù),以確定手術(shù)預(yù)案可行性,并與實(shí)際手術(shù)情況對(duì)照,以探究該技術(shù)的臨床應(yīng)用價(jià)值。
　　 結(jié)論：
　　 1、個(gè)體化腹腔鏡虛擬可視化手術(shù)系

18、統(tǒng)能成功完成腹腔鏡膽囊切除術(shù)、腹腔鏡膽總管切開(kāi)取石引流及左肝外葉切除術(shù)手術(shù)過(guò)程,其“個(gè)體化”的特點(diǎn)有利于克服普通腹腔鏡訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練與實(shí)際手術(shù)操作間脫節(jié)的缺點(diǎn),從而提高腹腔鏡技術(shù)培訓(xùn)效果,減少實(shí)際腹腔鏡手術(shù)術(shù)中并發(fā)癥的發(fā)生。
　　 2、個(gè)體化腹腔鏡仿真可視化手術(shù)系統(tǒng)尚處于研究的初級(jí)階段,需要繼續(xù)吸收計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新成果以逐步完善其功能。
　　 3、三維重建及仿真可視化手術(shù)技術(shù)對(duì)肝膽管結(jié)石開(kāi)腹手術(shù)及再次手術(shù)在準(zhǔn)確顯示