計(jì)算機(jī)輔助微波熱消融計(jì)劃系統(tǒng)在子宮腺肌癥治療中的應(yīng)用

盛林，翟偉明，卜云蕓，孫鐵梅

1. 清華大學(xué)玉泉醫(yī)院 腫瘤消融中心，北京 100049；2. 清華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084

微波消融治療具有熱效率高、凝固范圍可靠、療效確切、安全、無嚴(yán)重并發(fā)癥等特點(diǎn)，是腫瘤微創(chuàng)治療的方法之一，已廣泛應(yīng)用于臨床[1]。早期，微波消融主要應(yīng)用于肝癌、腎癌、肺癌等腫瘤的治療[2-4]。

計(jì)算機(jī)輔助外科（Computer Assisted Surgery，CAS）是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和影像學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生的[5]。早在20世紀(jì)70~80年代，國外就有了關(guān)于CAS研發(fā)和臨床應(yīng)用的報(bào)道[6]。近十幾年來，美國、德國、法國、日本等發(fā)達(dá)國家的政府和科研機(jī)構(gòu)投巨資于CAS的研究，CAS應(yīng)用領(lǐng)域包括神經(jīng)外科、耳鼻咽喉科、矯形外科、骨科等[7]。目前，CAS在國內(nèi)外已進(jìn)入成熟發(fā)展期，很大一部分已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，部分已經(jīng)投入商業(yè)使用[8-9]。

子宮腺肌癥在婦科疾病中的發(fā)病率僅次于子宮肌瘤[10]，患者主要以痛經(jīng)、經(jīng)量增大、經(jīng)期時(shí)間長和貧血等主要臨床表現(xiàn)就醫(yī)。其病因和發(fā)病機(jī)制不是十分明確，治療效果常不盡如人意。藥物治療毒、副作用較大；手術(shù)挖除病灶不徹底、易復(fù)發(fā)；子宮切除又會(huì)導(dǎo)致患者喪失器官、生活質(zhì)量降低。近幾年，微波消融在子宮病變?nèi)缱訉m肌瘤、腺肌瘤及腺肌病治療中的應(yīng)用的報(bào)道陸續(xù)出現(xiàn)，且治療的效果和安全性也得到了肯定[11-13]。但是子宮腺肌癥是異位內(nèi)膜侵入子宮內(nèi)壁，與周圍正常組織沒有分界，既要最大程度地消除異位病灶，又要防止子宮內(nèi)膜及子宮周圍正常組織的損傷，需要在術(shù)前進(jìn)行充分的規(guī)劃和預(yù)測。本研究初步嘗試將計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)引入子宮腺肌癥的熱消融治療中，探索其應(yīng)用方法和效果。

1 CAINS-I計(jì)算機(jī)輔助微波熱消融計(jì)劃系統(tǒng)

本研究所采用的CAINS-I計(jì)算機(jī)輔助微波熱消融計(jì)劃系統(tǒng)是由清華大學(xué)醫(yī)療信息科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)室聯(lián)合清華大學(xué)玉泉醫(yī)院腫瘤消融中心與北京華康同邦科技有限公司共同開發(fā)的。該系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：手術(shù)數(shù)據(jù)管理平臺、手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)及手術(shù)評估系統(tǒng)。

1.1 手術(shù)數(shù)據(jù)管理平臺

患者的影像數(shù)據(jù)是構(gòu)建手術(shù)計(jì)劃的基礎(chǔ)，為了提高消融手術(shù)計(jì)劃精度并保證重建后的效果，一般情況下需采用患者的CT影像，行1.5~2.0 mm無間隔重建，通過網(wǎng)絡(luò)或光盤等可直接載入支持DICOM標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。為了對比手術(shù)的治療效果，同一患者的數(shù)據(jù)要建立在一起。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入CAINS-I計(jì)算機(jī)輔助介入導(dǎo)航系統(tǒng)的主界面-手術(shù)管理界面。導(dǎo)航系統(tǒng)的手術(shù)數(shù)據(jù)管理包括4個(gè)功能模塊：患者搜索、患者基本信息、電子病歷列表及電子病歷信息。新建患者病歷要輸入患者名稱、性別、年齡等基本信息，并將患者術(shù)前CT或MRI影像導(dǎo)入到手術(shù)系統(tǒng)中。

1.2 手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)

手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)可基于三維人體影像，構(gòu)建手術(shù)模擬與仿真平臺。區(qū)別于傳統(tǒng)微波熱消融手術(shù)，計(jì)劃系統(tǒng)可以提前計(jì)算消融毀損區(qū)的范圍，模擬穿刺路徑，預(yù)估消融可能產(chǎn)生的并發(fā)癥及其副作用。

1.2.1 靶目標(biāo)區(qū)域計(jì)算

熱消融手術(shù)計(jì)劃首先要計(jì)算患者靶目標(biāo)區(qū)域，雖然本系統(tǒng)支持腫瘤區(qū)域的自動(dòng)識別，但由于腫瘤的影像特點(diǎn)非常復(fù)雜，增強(qiáng)后表現(xiàn)也不完全一致，因此靶目標(biāo)的確認(rèn)還需要結(jié)合人工識別。醫(yī)生可以在相互垂直的3個(gè)平面上勾畫病灶邊界，或根據(jù)臨床需要增加勾畫平面的數(shù)量，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)勾畫區(qū)域的CT值自動(dòng)包絡(luò)靶目標(biāo)，并進(jìn)行三維重建，從而在三維空間顯示病灶的大小、形態(tài)及與周圍重要臟器、組織的位置關(guān)系，還可對病灶體積進(jìn)行測量，以更好地反應(yīng)病灶發(fā)展?fàn)顩r。病灶勾畫界面的橫斷面為徑向設(shè)軸基準(zhǔn)面，冠狀面和矢狀面為病灶具體勾畫界面。病灶重建后的腫瘤模型顯示在三維顯示區(qū)。

1.2.2 消融區(qū)域的模擬計(jì)算

消融區(qū)域的計(jì)算是能否準(zhǔn)確規(guī)劃的關(guān)鍵。首先要根據(jù)生物熱學(xué)的原理建立靶目標(biāo)區(qū)熱損傷范圍的物理模型，根據(jù)模型推導(dǎo)出數(shù)值求解方法，最終再通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果反復(fù)修正計(jì)算公式，以達(dá)到最接近真實(shí)療效的目的。但治療過程中，如果治療區(qū)域靠近大血管，微波不能有效凝閉血管時(shí)，熱場將受到一定程度的影響。

一般情況下，生物組織中的熱傳輸規(guī)律與熱損傷場計(jì)算包括微波能量場建模、組織溫度場計(jì)算和熱損傷場計(jì)算：通過微波能量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算組織吸收的微波能量的空間分布情況；再將能量場作為消融區(qū)生物傳熱學(xué)計(jì)算的內(nèi)熱源項(xiàng)，利用Pennes方程計(jì)算相關(guān)消融區(qū)空間溫度分布；最后根據(jù)組織溫度場中的溫度閾計(jì)算腫瘤組織加熱損傷的情況。組織受熱壞死時(shí)，蛋白質(zhì)變性，微血管凝固，會(huì)導(dǎo)致生物組織各種熱力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。所以，在實(shí)際計(jì)算過程中，需要綜合計(jì)算生物傳熱參數(shù)和溫度場及損傷場，通過多次迭代的方式獲得更加符合生物傳熱學(xué)規(guī)律的結(jié)果。

1.2.3 手術(shù)路徑規(guī)劃

手術(shù)路徑規(guī)劃是手術(shù)計(jì)劃的關(guān)鍵，通過模擬不同進(jìn)針點(diǎn)可以觀察手術(shù)過程中進(jìn)針路徑可能形成的風(fēng)險(xiǎn)和損傷，并做好規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)備；入針點(diǎn)、空間角度以及進(jìn)針深度的計(jì)算，對手術(shù)的正確實(shí)施具有重要意義。

添加手術(shù)規(guī)劃路徑時(shí)，平面影像上可以顯示路徑上微波針在該平面的投影及其與皮膚相交的進(jìn)針點(diǎn)位置，并可通過鼠標(biāo)進(jìn)行各種操作。三維影像顯示區(qū)可顯示基于患者手術(shù)關(guān)聯(lián)的影像重建的三維立體模型，三維模型中可顯示路徑上微波針的位置。

在手術(shù)路徑規(guī)劃界面，分別對每一根微波針的進(jìn)針深度、消融功率、消融時(shí)間進(jìn)行預(yù)設(shè)，系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出基于該規(guī)劃路徑的微波能量場以及該能量場所導(dǎo)致的組織溫度場和相應(yīng)的組織損傷場。計(jì)算出來的損傷場可以疊加在預(yù)設(shè)消融的三維立體模型上，從而使得醫(yī)生可以根據(jù)損傷場和預(yù)設(shè)消融范圍的重合情況來調(diào)整手術(shù)路徑的各種參數(shù)以獲得最佳的手術(shù)規(guī)劃路徑。微波熱場計(jì)算的原理是利用Pennes 生物傳熱方程來計(jì)算由該能量場所導(dǎo)致的組織溫度場，再利用Arrhenius方程可以計(jì)算出相應(yīng)的組織損傷場。通過計(jì)算機(jī)模擬熱損傷場及有效消融區(qū)，將模擬數(shù)據(jù)通過空間坐標(biāo)擬合與患者三維CT重建影像進(jìn)行匹配，就可以計(jì)算出基于手術(shù)計(jì)劃路徑的微波能量消融范圍，從而輔助醫(yī)生根據(jù)熱損傷區(qū)域和靶目標(biāo)的情況來調(diào)整手術(shù)路徑治療時(shí)間、功率等參數(shù)進(jìn)而獲得最優(yōu)的治療計(jì)劃。

1.3 手術(shù)評估系統(tǒng)

手術(shù)評估系統(tǒng)可將術(shù)前、術(shù)后的三維影像進(jìn)行坐標(biāo)擬合，通過對靶目標(biāo)區(qū)與消融區(qū)的對比，評估手術(shù)效果。手術(shù)評估系統(tǒng)不僅可評估CT影像，還可以將MR影像甚至超聲影像通過建立人工坐標(biāo)系的方法進(jìn)行對比評估，不僅能夠準(zhǔn)確評估消融治療的效果，還可以為進(jìn)一步的手術(shù)或者補(bǔ)充治療提供精準(zhǔn)的計(jì)劃與評價(jià)。

2 計(jì)算機(jī)輔助微波熱消融計(jì)劃系統(tǒng)在子宮腺肌癥中的應(yīng)用

2.1 資料與方法

2.1.1 臨床資料

患者女性，37歲，經(jīng)期下腹部及腰部酸痛進(jìn)行性加重6年，有5次刮宮史，未育，但無生育要求。痛經(jīng)評分4分，已影響其正常生活和睡眠，經(jīng)期必須口服鎮(zhèn)痛藥物止痛。經(jīng)量中等，經(jīng)期時(shí)間長，無貧血。結(jié)合超聲造影及增強(qiáng)CT兩種影像學(xué)檢查排除子宮其他病變的可能。

2.1.2 方法

（1）手術(shù)消融區(qū)域重建與靶區(qū)規(guī)劃。手術(shù)前，對患者進(jìn)行盆腔CT掃查，將影像數(shù)據(jù)行2.0 mm無間隔重建，建立患者病歷檔案，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAINS-I計(jì)算機(jī)輔助微波熱消融計(jì)劃系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)三維重建技術(shù)顯示出患者的子宮及其周圍組織的基本結(jié)構(gòu)；醫(yī)生在CT圖像上找到病灶所在的斷層圖像，由于該患者的內(nèi)膜異位病灶呈彌漫性分布，且主要集中在子宮前壁，因此選擇規(guī)劃患者前壁的靶目標(biāo)區(qū)；通過手動(dòng)結(jié)合自動(dòng)的靶區(qū)勾畫方法在矢狀面和橫切面勾勒出預(yù)設(shè)的消融范圍，為保護(hù)子宮內(nèi)膜組織不受影響，保持勾勒的消融范圍距內(nèi)膜約5 mm，并且在多個(gè)層面進(jìn)行勾勒，以便得到更多的圖象信息，然后生成直觀的三維消融體，并融合顯示到患者的三維顯示圖上；系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出所形成的三維消融體的體積。

（2）手術(shù)規(guī)劃。進(jìn)入系統(tǒng)的手術(shù)規(guī)劃界面，在患者的三維影像上規(guī)劃微波消融手術(shù)的實(shí)施方案，包括手術(shù)微波消融針的數(shù)量、進(jìn)針的位置、進(jìn)針的深度以及微波針的作用功率和時(shí)間。具體的設(shè)計(jì)方案為：預(yù)設(shè)點(diǎn)1（病灶左后側(cè)），進(jìn)針深度100 mm，作用功率50 W，作用時(shí)間900 s；預(yù)設(shè)點(diǎn)2（病灶左前側(cè)），進(jìn)針深度110 mm，作用功率50 W，作用時(shí)間600 s；預(yù)設(shè)點(diǎn)3（病灶右后側(cè)），進(jìn)針深度110 mm，作用功率50 W，作用時(shí)間600 s。

（3）術(shù)中規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)。手術(shù)過程中，由于我們預(yù)設(shè)的消融范圍較大，所需的消融針為3根，但考慮到患者的實(shí)際經(jīng)濟(jì)承受能力，先用兩根消融針插入預(yù)設(shè)點(diǎn)1和預(yù)設(shè)點(diǎn)2，按術(shù)前規(guī)劃的入針位置、深度、作用功率和時(shí)間完成消融；然后拔出消融針消毒后，再將其插入預(yù)設(shè)點(diǎn)3并按術(shù)前規(guī)劃完成消融。手術(shù)在全麻下進(jìn)行，術(shù)中的微波消融全過程均在實(shí)時(shí)超聲引導(dǎo)下進(jìn)行。

（4）手術(shù)評估。術(shù)后第3天，患者進(jìn)行術(shù)后三維MRI掃查，并將術(shù)后影像與術(shù)前影像進(jìn)行對比，對手術(shù)效果進(jìn)行評價(jià)。

2.2 結(jié)果

患者術(shù)前預(yù)設(shè)消融范圍由系統(tǒng)自動(dòng)生成的消融體積約為110.8 cm3，術(shù)后通過影像勾勒出的實(shí)際消融體積約為103.1 cm3，符合率約為93.1%。術(shù)中沒有損傷到子宮內(nèi)膜及子宮周圍正常組織。經(jīng)過一次治療，患者臨床癥狀得到了有效緩解。精準(zhǔn)的手術(shù)計(jì)劃既達(dá)到了良好的臨床治療效果，又有效地避免了副損傷的發(fā)生。

3 討論

本研究表明，術(shù)前利用CAINS-I計(jì)算機(jī)輔助微波熱消融計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，輔助醫(yī)生尋找到最佳的手術(shù)路徑及最佳的熱療參數(shù)，制定合理的手術(shù)計(jì)劃，能夠提高手術(shù)的計(jì)劃準(zhǔn)確性、實(shí)施效率、安全性和療效。本研究中，患者術(shù)后實(shí)際消融體積較術(shù)前規(guī)劃的消融體積小，符合率為93.1%，考慮可能是因?yàn)橄趨^(qū)域血流較豐富，將部分熱量帶走，從而導(dǎo)致臨近血管的消融區(qū)域溫度低于理論預(yù)設(shè)值，導(dǎo)致消融實(shí)際范圍較預(yù)設(shè)范圍小[14]；也可能因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的熱場模擬計(jì)算的生物組織密度不同，導(dǎo)致熱療計(jì)算結(jié)果會(huì)有一定差異，需要在今后通過動(dòng)物標(biāo)本實(shí)驗(yàn)及臨床手術(shù)測量獲取進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證、修正，從而提高其模擬精度。本研究局限性在于研究對象為1例子宮腺肌癥患者，雖然結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠科學(xué)地引導(dǎo)臨床手術(shù)，提高臨床手術(shù)的可預(yù)見性，但仍需通過大樣本的應(yīng)用研究進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

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