圖像三維重建軟件在結核性膿胸手術中的應用

胡全君 趙明偉 周偉東 徐凱 曹帥 張明磊 王軍 金鋒

·論著·

圖像三維重建軟件在結核性膿胸手術中的應用

胡全君 趙明偉 周偉東 徐凱 曹帥 張明磊 王軍 金鋒

目的 回顧性分析并觀察采用Mimics圖像三維重建軟件在局限性結核性膿胸微創(chuàng)手術中的應用效果。 方法 回顧性分析我院2015 年1月至 2016 年 12月收治的局限性結核性膿胸手術患者30例，按術前是否行圖像三維重建分為2個 組。 觀察組15例，采用CT增強掃描，應用Mimics 17.0圖像處理軟件對圖像進行三維重建；對照組 15 例，僅采用CT增強掃描獲取圖像。上述所獲圖像在微創(chuàng)手術治療時作為術者的參考。 比較 2 組切口準確率、切口長度、術后疼痛緩解速度、手術時間(手術操作開始至皮膚縫閉時間)及出血量。 結果 觀察組切口準確率(100.00%，15/15)高于對照組(73.33%，11/15)(χ2=4.615，P=0.032)；觀察組術后疼痛緩解率(100.00%,15/15)高于對照組(73.33%,11/15)(χ2=4.615，P=0.032)；觀察組切口平均長度為(7.55±0.51) cm，較對照組(8.65±0.92) cm短(t=2.527，P=0.024)；觀察組手術時間為(178.13±6.93) min，較對照組的(184.93±3.86) min 明顯縮短(t=3.130，P=0.007)；觀察組手術出血量為(573.00±138.00) ml，與對照組比較[(613.00±188.00) ml]，差異無統(tǒng)計學意義(t=0.888,P=0.389)。 結論 Mimics軟件對CT圖像進行三維重建定位，可以有效提高局限性結核性膿胸微創(chuàng)手術切口準確性、疼痛緩解速度、縮短切口長度、節(jié)省手術時間，值得在臨床上推廣應用。

膿胸, 結核性； 軟件； 圖像處理, 計算機輔助； 立體定位技術； 結果與過程評價(衛(wèi)生保健)

早期結核性胸膜炎患者一般經(jīng)全身抗結核藥物治療、胸腔穿刺抽液或置管引流等，大部分可以治愈。但是，臨床工作中常遇到部分患者經(jīng)上述治療效果欠佳，最終成為局限性包裹性膿胸。包裹性膿胸膿腔被增厚的纖維板包裹，抗結核藥物難以到達膿腔，并且影響肺功能，甚至胸廓會發(fā)生塌陷。此時，外科手術成為了最主要也是最有效的方法[1-2]。局限性結核性膿胸因其病變范圍小，根據(jù)胸部X線攝影、胸部CT掃描等難以準確定位及設計手術切口，有手術中切口及入路產生誤差的情況發(fā)生[3]。因此，為了精準定位，微創(chuàng)手術，我們引入了Mimics圖像三維重建軟件，建立數(shù)字模型，模擬手術、設計手術方案和手術入路。筆者通過回顧2015年1月至2016年12月入我院治療的局限性結核性膿胸手術患者30例，其中15例患者采用CT增強掃描，應用Mimics 17.0圖像處理軟件；15例患者僅采用CT增強掃描獲取圖像， 評價Mimics圖像三維重建軟件在局限性結核性膿胸微創(chuàng)手術中的應用效果。

資料和方法

一、一般資料

選取2015年1月至2016年12月入我院治療的局限性結核性膿胸手術患者30例，男16例，女14例，無心、肝、腎等重要臟器疾病，規(guī)范抗結核藥物治療>6個月，微生物學及病理學證實為結核性膿胸。

二、方法

按術前是否行圖像三維重建分成2個組。其中觀察組15例，男9例，女6例，年齡20～65歲，平均年齡(41.0±5.0)歲；對照組15例，男7例，女8例，年齡20～58歲，平均年齡(42.0±5.1)歲。

1.觀察組：患者均行CT增強掃描，采用飛利浦16排螺旋CT儀。掃描條件120 kV，30 mA, 層厚1 mm，窗寬1500 HU,窗位200 HU,矩陣為512×614。掃描范圍包括完整胸廓, 數(shù)據(jù)結果以醫(yī)學圖像存儲與傳輸(DICOM)標準格式存儲。將 DICOM格式的二維CT圖像數(shù)據(jù)輸入到個人計算機，應用Mimics 17.0圖像處理軟件，對圖像進行三維重建，根據(jù)強化后的組織密度不同，選擇合適閾值進行設置，也可以針對不同組織閾值分別設置，可以得到不同的“mask”,隨后進行數(shù)據(jù)重建，獲得胸部及膿腫的三維模型，再對三維模型進行修改，去除與手術無關的數(shù)據(jù)，最后獲得膿腫、血管、肺及胸廓等結構的三維模型，在計算機上根據(jù)重建的三維模型對手術進行設計和手術模擬，選擇合適的手術入路、合適的路徑進入胸肋間隙或肋床，并對手術中重要臟器和血管的損傷作出初步預測和評估。

2.對照組：患者均行CT增強掃描，采用飛利浦16排螺旋CT儀。掃描條件120 kV，30 mA, 層厚1 mm，窗寬1500 HU,窗位200 HU,矩陣為512×614。掃描范圍包括完整胸廓。根據(jù)CT掃描二維圖像推算，選擇合適的手術入路、合適的路徑進入胸肋間隙或肋床。

3.觀察指標：(1)切口準確性的判斷。根據(jù)三維成像定位切口，應用腋下縱行小切口，依次切開胸壁皮膚、皮下，游離背闊肌前緣，沿肌纖維方向切開前鋸肌及肋間肌肉，直接到達病變?yōu)闇蚀_；不能直接到達病變處，需要進一步探查或部分偏離者為不準確。(2)切口長度的比較。(3)疼痛緩解速度(比較手術后第7天疼痛緩解程度)。(4)手術時間記錄。即手術操作開始至皮膚縫閉時所用的時間。(5)出血量統(tǒng)計，即手術開始至手術結束時的總出血量。

4.統(tǒng)計學分析：應用 SPSS 17.0 統(tǒng)計軟件進行分析。組間計量資料比較采用t檢驗，計數(shù)資料比較采用χ2檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

1.觀察組：15例患者經(jīng)定位確定切口均能直接到達胸腔內病變(切口準確率為100.00%)；手術時間平均(178.33±6.93) min；切口愈合良好，7～9 d 拆線；切口平均長度(7.55±0.51) cm；術后3 d患者視覺疼痛評分(vision algetic standard, VAS)為5～6分，7 d后為1～2分；出血量平均(573.00±138.00) ml(表1)。

2.對照組：有 4 例患者按選定入路未能直接到達膿腔，發(fā)生偏移，均延長切口，其中1例改變肋間入路，切口準確率為73.33%，；手術時間(184.93±3.86) min；切口平均長度(8.65±0.92) cm；術后3 d患者VAS評分為5～6分，7 d后11例為1～2分，4例仍為3～4分；出血量平均(613.00±188.00) ml。 在提高切口準確率、切口長度、疼痛恢復及手術時間方面觀察組均明顯優(yōu)于對照組(P值均<0.05)。出血量方面兩組差異無統(tǒng)計學意義(P值均>0.05)(表1)。

3.典型病例介紹：患者，男，67歲。臨床診斷為左側結核性膿胸，給予規(guī)范的抗結核藥物治療6個月后進行手術治療，手術前后患者CT檢查及采用Mimics 17.0軟件進行定位設計、手術切口情況見圖1～8。

表1 兩組患者各項手術指標的比較

圖1 老年男性患者。診斷左側結核性膿胸，在規(guī)范抗結核治療6個月后，給予CT增強掃描 圖2 為圖1患者術前CT平掃圖像，提示左側結核性膿胸，胸膜鈣化，膿腫穿破膈肌角進入腹膜外 圖3～6 圖1患者采用Mimics 17.0軟件應用DICOM數(shù)據(jù)所建三維圖像模型的不同角度和切面視圖，根據(jù)該模型設計手術入路，模擬手術切除范圍 圖7 為圖1患者的手術切口，腋下小切口僅長7.5 cm 圖8 為圖1患者術后6個月進行CT復查，顯示膿腫消失

討 論

局限性結核性膿胸屬于結核性胸膜炎的中晚期，由于胸膜成纖維細胞的纖維素沉積并機化，造成纖維板增厚，甚至鈣化，導致肋間隙變窄，活動度變差，影響肺功能等[4]。此時，纖維板剝脫術成為慢性結核性膿胸的最佳治療方法和最佳術式[5]。竇學軍等[6]研究發(fā)現(xiàn)，對于結核性膿胸的手術治療難點是減少出血和肺部復張問題，所以結核性膿胸的手術要盡可能地減小手術創(chuàng)傷，縮短手術時間。對于局限性膿胸的手術治療，準確的定位及合適的手術入路可以降低手術創(chuàng)傷、縮短手術時間。定位如果不準，往往導致延長切口，甚至需要改變肋間隙重新入路，明顯導致創(chuàng)傷增大、手術時間延長，并且增加了術后神經(jīng)刺激及感染等并發(fā)癥發(fā)生的機會。

Mimics 17.0軟件是比利時Materialise公司研發(fā)的交互式醫(yī)學影像控制系統(tǒng)，介于醫(yī)學與機械領域之間的一套逆向軟件。能輸入各種CT及MRI掃描數(shù)據(jù)，建立三維圖像模型進行編輯，然后輸出通用的外科手術模擬模塊、有限元分析模塊、快速成型模塊，以及計算機輔助設計模塊等，可以在個人電腦上進行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉換處理。利用此軟件可以實現(xiàn)醫(yī)學圖像的三維重建，以及進行手術過程的模擬，從而為醫(yī)生診斷及手術方案的制定提供強有力的依據(jù)[7]。通過該軟件所建立的三維圖像模型，可以避免傳統(tǒng)CT體層掃描和單純重建矢狀面或冠狀面的圖像不能給出準確的三維立體影像、較易造成病變部位的定位失真的不足[8]。黃厚沐等[9]將數(shù)字定位軟件應用于胸外科腫瘤手術的定位，顯著提高了定位的準確性，為微創(chuàng)手術的實施提供了依據(jù)。該軟件重建的胸部三維圖像模型，可以非常直觀地看到膿腫所處的范圍，也可以從不同角度及不同層面切割后進一步分析膿腫的范圍，通過三維圖像模型，可以選擇合適的進胸肋間或肋床，模擬手術切除膿腫和纖維板，從而達到精確定位；通過精確定位，可以采用長8 cm左右的手術切口完成纖維板剝脫手術，降低手術創(chuàng)傷，為結核性膿胸的微創(chuàng)傷手術提供了保障。通過對三維圖像模型的重建，可以更加直觀地看到膿腫壁與胸腔重要臟器的比鄰關系，從而減少手術中的副損傷和重大并發(fā)癥的發(fā)生。張運曾等[10]和周密等[11]已嘗試應用電視胸腔鏡完成手術，準確的定位及入路更是手術成功的關鍵。

通過Mimics 17.0軟件所建立的三維圖像模型，可以將數(shù)據(jù)以STL格式輸出，采用三維打印技術打印胸廓及膿腫的1∶1個體化模型，可以更加直觀地了解膿腫范圍，并且可以與患者進行更加直觀的手術溝通。本組患者由于經(jīng)濟問題，本著減輕患者負擔的考慮而沒有進行三維打印個體化模型。

綜上所述，Mimics軟件對包裹性結核性膿胸進行數(shù)字模型的重建，可以直觀、精準地進行手術入路定位，模擬手術操作，最終達到手術精準定位、縮短手術時間、減少出血量及減輕手術創(chuàng)傷的目的，使得患者能夠快速康復。通過該技術的開展，可以拓展數(shù)字技術在結核性膿胸微創(chuàng)手術中的臨床應用研究，降低結核性膿胸患者的手術創(chuàng)傷，縮短康復時間，并提高療效。由于本組患者例數(shù)較少，采用Mimics軟件對結核性膿胸患者進行建模及手術模擬等需要在以后的工作中繼續(xù)完善和提高。

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(本文編輯：薛愛華)

Application of three-dimensional image reconstruction software in the operation of tuberculous empyema

HUQuan-jun,ZHAOMing-wei,ZHOUWei-dong,XUKai,CAOShuai,ZHANGMing-lei,WANGJun,JINFeng.

DepartmentofSurgery,QingdaoChestHospital,Qingdao266043,China

Correspondingauthors:ZHAOMing-wei,Email:419790064@qq.com;JINFeng,Email: 2547875348@qq.com

Objective To retrospectively analyze the application effect of Mimics image reconstruction software in minimally invasive surgery for localized tuberculous empyema. Methods The clinical data of 30 patients with localized tuberculous empyema from January 2015 to December 2016 were summarized. They were divided into 2 groups according to whether to perform three-dimensional reconstruction of images before operation. In the observation group, the 15 cases were scanned by computer tomography (CT).The images were processed by Mimics 17.0 image software and reconstructed by 3D reconstruction. In the control group, the 15 cases

images only by CT enhanced scan. The above images were used as reference for minimally invasive surgery. The incision accuracy, the length of incision, the rate of postoperative pain relief, the time of operation (starting from the operation to the end of the operation) and the amount of bleeding were compared between the 2 groups. Results The incision accuracy of the observation group (100.00%, 15/15) was significantly higher than that of the control group (73.33%, 11/15) (χ2=4.615,P=0.032). The rate of postoperative pain relief of the observation group (100.00%, 15/15) was higher than that of the control group (73.33%,11/15) (χ2=4.615,P=0.032). The average length of incision in the observation group ((7.55±0.51) cm) was shorter than that of the control group ((8.65±0.92) cm) (t=2.527,P=0.024). The operation time of the observation group ((178.13±6.93) min) was shorter than that of the control group ((184.93±3.86) min) significantly (t=3.130,P=0.007). The amount of bleeding in observation group was (573.00±138.00) ml, compared with the control group ((613.00±188.00) ml), the difference was not statistically significant (t=0.888,P=0.389). Conclusion 3D reconstruction of the location of CT image by Mimics software can improve incision accuracy effectively and make pain relief quickly, shorten the length of incision and save the operation time in the minimally invasive surgery for the localized tuberculous empyema, which is worth popularizing in clinic.

Empyema, tuberculous； Software； Image processing, computer-assisted； Stereotaxic techniques； Outcome and process assessment (health care)

10.3969/j.issn.1000-6621.2017.09.010

266043 山東省青島市胸科醫(yī)院外科(胡全君、趙明偉、周偉東、徐凱、曹帥、張明磊、王軍)；山東省胸科醫(yī)院胸外科(金鋒)

趙明偉，Email:419790064@qq.com；金鋒，Email：2547875348@qq.com

2017-07-19)