使用LAP激光系統實現CT引導下精準穿刺體表定位的方法

吳叢業，時飛躍，趙環宇，陳飛

南京醫科大學附屬南京醫院（南京市第一醫院） 腫瘤內科，江蘇 南京 210006

引言

CT引導下穿刺是引流、組織活檢、消融以及放射性粒子植入等技術的基礎。精準的體表定位能夠保證CT引導下穿刺的順利進行。定位柵條作為一種常用工具，具有簡單適用、操作方便等優點[1]。但在實際操作中，如需要術中定位或者多點穿刺等情況下，使用定位柵條反而繁瑣復雜。采用可移動激光設備進行精準定位穿刺是一種可行的方法[2-3]。為了進一步完善數字化精準定位功能，本研究利用虛擬模擬Vsim工作站和LAP激光燈系統坐標功能，通過模擬操作和實踐，證實外置激光系統能夠用于CT引導下穿刺體表定位，方法簡單可靠。本文將介紹本方法的具體應用。

1 材料和方法

1.1 材料

CT模擬機：西門子公司的SOMATOM Sensation Open CT模擬機，配備CIVCO全碳素平板床、主機、輔機工作站以及具有虛擬模擬功能的Vsim工作站。激光定位系統：LAP公司的DORADO3系統，該系統包括3支激光燈，CT機架兩側兩支激光燈投射水平位激光線，可沿患者腹背方向運動；機架上方天花板上激光燈投射矢狀位激光線，可沿患者左右方向運動，激光燈運動由臺式電腦上Keypad Emulation 1.0軟件控制。WPS辦公軟件包中的WPS表格，版本為WPS 10.1.0.6690。

1.2 坐標系的建立

（1）P（Patient）坐標系。采用Vism工作站中坐標系，單位為cm。工作站中坐標系方向和患者體位相關，患者取仰臥位頭朝機架（Head First-Supine）時，坐標系方向如圖1所示。為簡化計算，無論患者實際為何種體位，可在CT主臺工作站中均設定為仰臥位頭朝機架方向。參考既往研究[4]，在患者體表同一橫斷面貼三個鉛標記點，以其所確定坐標系的中心點為原始等中心點，用M表示。

（2）L（Laser）坐標系。L坐標系的原點用O表示；坐標系方向如圖1所示，單位為mm。在實際操作中，通過Keypad Emulation 1.0軟件設定O點坐落在M點上，使P坐標系和L坐標系建立聯系；P坐標系和L坐標系轉換時需要單位轉換。

圖1 外置激光系統、CT模擬機、L坐標系和P坐標系

（3）初始CT床位。CT床垂直高度（Superior-Inferior，Vertical）用VRT表示；前后方向位置（Anterior-Posterior，Longitude）用LNG表示；單位為mm。在患者體表同一橫斷面貼三個鉛標記點，此時床位為O/M點床位y(Couch, M)，用CT機架上顯示的LNG值表示。

（4）體表定位點。Vsim工作站中確定體表穿刺點（Surface Puncture）為S(n)，n為穿刺點的序號。在Vsim工作站中，可以自動顯示M點和S點坐標，代入WPS表格得出S點相對于M點的位移：

設定L坐標系的O點坐落在P坐標系的M點上，M為原點，故L坐標系中初始x(L,M)、y(L,M)和z(L,M)均為0 mm。激光燈在L坐標系中的位移：

因激光燈不能在頭腳方向移動，移動CT床代替L坐標系y軸方向。在L坐標系中：

（5）體表穿刺點為L坐標系三條軸的交叉點。左右方向為x軸，輸入x(L,S)值控制激光燈C投射“十”字線；頭腳方向為y軸，輸入y(Couch,s)控制CT床移動；上下方向為z軸，根據穿刺點在體表左右，輸入z(L,S)控制激光燈A（穿刺點偏機架左側）或激光燈B（穿刺點偏機架右側）投射“十”字線。

1.3 工作表的制作

使用WPS工作表公式編輯功能，制作了專用的WPS表格。該工作表包含醫療信息和穿刺點數據輸入計算兩大部分。不同的背景填充顏色由不同的含義：藍色表示輸入，茶色表示不需要輸入，淺綠色表示最終的位置計算結果。公式(1)(2)(3)對應的在WPS中的輸入方式分別為：E17=B14=B13-B12，E18=E14=E13-E12和E20=H14=H13-H12。公式(4)(5)(6)對應的在WPS中的 輸 入 方 式 分別為：H17=10×E17，H18=-10×E20和H20= -10×E18。公式(7)(8)(9)在WPS中的輸入方式為：K17=H17，K20=H20和 K19=B19-H18=K10-H18。具體工作表，見圖2。

圖2 用于計算體表定位點參數的WPS表格

2 應用步驟

使用上述方法確定患者體表定位點的具體應用方法如下：

（1）患者保持固定體位在CT模擬機上，使用激光燈在同一橫斷面投射出三個“十”字交叉點，A、B激光燈投射出的交叉點在同一水平高度。在患者體表標記出并貼上鉛粒，作為原始等中心點M的體表標記。輸入此時床VRT和床LNG值。為避免鉛粒占據穿刺位點，該橫斷面盡量不在擬穿刺區域內。

（2）對患者進行CT掃描。將掃描的CT圖像傳到虛擬模擬Vsim工作站。Vsim工作站中根據患者體表同一橫斷面三個鉛標記點，得出P坐標系中M點的坐標（圖3）。

圖3 Vism工作站中設定P坐標系M點坐標

（3）在Vsim工作站中確定體表穿刺點，并記錄S點坐標（圖4）。

圖4 Vism工作站中設定體表穿刺點S坐標

（4）M/O點坐標和S點坐標輸入WPS表格，算出△x(P)、△y(P)和△z(P)。

（5）根據△x(P)、△y(P)和△z(P)換算出△x(L)、△y(L)和△z(L)，進一步算出x(L,S)、y(L,S)和z(L,S)的值。

（6）將激光燈投射的三個“十”字交叉點與患者體表的三個原始“十”字線對準，此時L坐標系O點坐落在P坐標系M點上。

（7）y(Couch,M)由輸入的床LNG值得出，自動換算出y（Couch,S）數值，操作CT床到該床位。

（8）根據具體穿刺位置，選擇A、B、C三個激光燈，使用Keypad Emulation 1.0軟件（圖5）按（6）中數據驅動相應激光燈至對應位置，激光“十”字交叉點的體表投影即為穿刺點。

圖5 驅動外置激光系統的Keypad Emulation 1.0軟件

（9）如有多個穿刺點，從（3）重復開始。

3 討論

本文介紹了可移動LAP激光系統在CT引導下精準定位穿刺中的應用。隨著CT引導下微創治療應用領域的推廣，對精準定位穿刺的要求越來越高。傳統使用的定位柵條，能夠滿足簡單的定位需求[1]。但是在一些復雜操作，尤其是有多個穿刺點需要反復定位的情況下，高效、方便、精準的定位方式更為重要。可移動激光系統是外放療定位的常用設備，具有操控簡便、精準定位的優點[5]。張艷蘭等[6]使用激光定位線和CT內定位線進行肺部精準定位穿刺。本研究在可移動LAP激光系統基礎上，結合虛擬模擬Vsim工作站，進一步完善精準定位的功能。該方法主要分為三步：① CT掃描獲取參考點與穿刺點，利用Vsim工作站坐標體系建立空間位置關系；② LAP激光系統坐標系原點取Vsim工作站中患者坐標系中心點，將激光坐標系和患者坐標系建立聯系；③ 使用設計好的WPS表格計算3個方向的位移值，控制進出床和移動激光燈，實現體表穿刺點位置的標記。需要指出的是，LAP激光系統中兩側激光燈（A和B）默認始終保持在同一水平高度，根據體表穿刺點在患者的左右決定使用哪一側激光燈。確認床位并調整好激光燈后，理論上，激光燈C投射“十”字交叉點和激光燈A/B投射“十”字交叉點重合。由于體表結構弧度形態，靠近胸骨中線的穿刺點優選頂端激光燈（C）投影，靠近腋窩中線的穿刺點優選側位激光燈A/B投影。

CT引導下微創治療應用領域越來越廣泛。在放射性粒子植入、多點穿刺引流或活檢、術中再定位等復雜操作情況下，本文介紹的方法可以避免手術區域再消毒、重復掃描CT等潛在問題。在術前一次性貼好標記點，利用模擬軟件進行坐標轉換，調整外置激光燈系統即可精準定位。體表標記點是介導患者坐標系和激光坐標系統的重要因素，需要工作人員精準細致的操作。另外，體表標記點盡量不要貼在擬手術區域，避免產生占位影響操作；但如果離手術區域過遠，體表標記點輕微誤差可能導致較多的偏離。醫師和其他工作人員在操作前要仔細閱讀患者CT圖像，規劃好操作初步計劃。

目前，利用三維導航技術、數控穿刺引導儀以及穿刺固定儀等技術設備提高穿刺精準性的方法也在探索應用中[7-9]。本研究不同之處是將患者坐標系和外置定位坐標系結合到一起。如果將機械臂等設備結合到一起，在虛擬模擬工作站中制定治療計劃，不僅能夠定位，而且可以實現數字化操作，達到精準治療的目的。圖像引導下微創治療是一個廣泛的概念，在顱腦外科、脊柱外科等微創手術中也發揮重要作用[10-12]。隨著CT及圖形引導技術的成熟，越來越多的手術可以利用微創方式完成[13-15]。

在人工智能日益推廣的大環境下，CT引導下微創治療正向數字化精準方向快速邁進[16]。本方法借助外置激光系統，實現了CT引導下微創治療精準定位的目的，既可以作為一種簡單方法直接應用，也可為其他微創技術提供參考，在CT引導下精準定位中發揮相應的作用。