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(jié)核性膿胸手術(shù)中的應(yīng)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(jié)核性膿胸微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)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(jié)核性膿胸手術(shù)患者30例，按術(shù)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(yīng)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(shù)治療時作為術(shù)者的參考。 比較 2 組切口準確率、切口長度、術(shù)后疼痛緩解速度、手術(shù)時間(手術(shù)操作開始至皮膚縫閉時間)及出血量。 結(jié)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(shù)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(shù)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(shù)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(xué)意義(t=0.888,P=0.389)。 結(jié)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(jié)核性膿胸微創(chuàng)手術(shù)切口準確性、疼痛緩解速度、縮短切口長度、節(jié)省手術(shù)時間，值得在臨床上推廣應(yīng)用。

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

早期結(jié)核性胸膜炎患者一般經(jīng)全身抗結(jié)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(jié)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(shù)成為了最主要也是最有效的方法[1-2]。局限性結(jié)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(shè)計手術(shù)切口，有手術(shù)中切口及入路產(chǎn)生誤差的情況發(fā)生[3]。因此，為了精準定位，微創(chuàng)手術(shù)，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(shù)、設(shè)計手術(shù)方案和手術(shù)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(jié)核性膿胸手術(shù)患者30例，其中15例患者采用CT增強掃描，應(yīng)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(jié)核性膿胸微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)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(jié)核性膿胸手術(shù)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(jié)核藥物治療>6個月，微生物學(xué)及病理學(xué)證實為結(jié)核性膿胸。

二、方法

按術(shù)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(jié)果以醫(yī)學(xué)圖像存儲與傳輸(DICOM)標(biāo)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(yīng)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(shè)置，也可以針對不同組織閾值分別設(shè)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(shù)無關(guān)的數(shù)據(jù)，最后獲得膿腫、血管、肺及胸廓等結(jié)構(gòu)的三維模型，在計算機上根據(jù)重建的三維模型對手術(shù)進行設(shè)計和手術(shù)模擬，選擇合適的手術(shù)入路、合適的路徑進入胸肋間隙或肋床，并對手術(shù)中重要臟器和血管的損傷作出初步預(yù)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(shù)入路、合適的路徑進入胸肋間隙或肋床。

3.觀察指標(biāo)：(1)切口準確性的判斷。根據(jù)三維成像定位切口，應(yīng)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(shù)后第7天疼痛緩解程度)。(4)手術(shù)時間記錄。即手術(shù)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(shù)開始至手術(shù)結(jié)束時的總出血量。

4.統(tǒng)計學(xué)分析：應(yīng)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(xué)意義。

結(jié) 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(nèi)病變(切口準確率為100.00%)；手術(shù)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(shù)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(shù)時間(184.93±3.86) min；切口平均長度(8.65±0.92) cm；術(shù)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(fù)及手術(shù)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(xué)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(cè)結(jié)核性膿胸，給予規(guī)范的抗結(jié)核藥物治療6個月后進行手術(shù)治療，手術(shù)前后患者CT檢查及采用Mimics 17.0軟件進行定位設(shè)計、手術(shù)切口情況見圖1～8。

表1 兩組患者各項手術(shù)指標(biāo)的比較

圖1 老年男性患者。診斷左側(cè)結(jié)核性膿胸，在規(guī)范抗結(jié)核治療6個月后，給予CT增強掃描 圖2 為圖1患者術(shù)前CT平掃圖像，提示左側(cè)結(jié)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(yīng)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(shè)計手術(shù)入路，模擬手術(shù)切除范圍 圖7 為圖1患者的手術(shù)切口，腋下小切口僅長7.5 cm 圖8 為圖1患者術(shù)后6個月進行CT復(fù)查，顯示膿腫消失

討 論

局限性結(jié)核性膿胸屬于結(jié)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(dǎo)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(shù)成為慢性結(jié)核性膿胸的最佳治療方法和最佳術(shù)式[5]。竇學(xué)軍等[6]研究發(fā)現(xiàn)，對于結(jié)核性膿胸的手術(shù)治療難點是減少出血和肺部復(fù)張問題，所以結(jié)核性膿胸的手術(shù)要盡可能地減小手術(shù)創(chuàng)傷，縮短手術(shù)時間。對于局限性膿胸的手術(shù)治療，準確的定位及合適的手術(shù)入路可以降低手術(shù)創(chuàng)傷、縮短手術(shù)時間。定位如果不準，往往導(dǎo)致延長切口，甚至需要改變肋間隙重新入路，明顯導(dǎo)致創(chuàng)傷增大、手術(shù)時間延長，并且增加了術(shù)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(xué)影像控制系統(tǒng)，介于醫(yī)學(xué)與機械領(lǐng)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(shù)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(shè)計模塊等，可以在個人電腦上進行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。利用此軟件可以實現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的三維重建，以及進行手術(shù)過程的模擬，從而為醫(yī)生診斷及手術(shù)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(yīng)用于胸外科腫瘤手術(shù)的定位，顯著提高了定位的準確性，為微創(chuàng)手術(shù)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(shù)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(shù)切口完成纖維板剝脫手術(shù)，降低手術(shù)創(chuàng)傷，為結(jié)核性膿胸的微創(chuàng)傷手術(shù)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(guān)系，從而減少手術(shù)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(yīng)用電視胸腔鏡完成手術(shù)，準確的定位及入路更是手術(shù)成功的關(guān)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(shù)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(shù)溝通。本組患者由于經(jīng)濟問題，本著減輕患者負擔(dān)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(jié)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(shù)入路定位，模擬手術(shù)操作，最終達到手術(shù)精準定位、縮短手術(shù)時間、減少出血量及減輕手術(shù)創(chuàng)傷的目的，使得患者能夠快速康復(fù)。通過該技術(shù)的開展，可以拓展數(shù)字技術(shù)在結(jié)核性膿胸微創(chuàng)手術(shù)中的臨床應(yīng)用研究，降低結(jié)核性膿胸患者的手術(shù)創(chuàng)傷，縮短康復(fù)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(jié)核性膿胸患者進行建模及手術(shù)模擬等需要在以后的工作中繼續(xù)完善和提高。

[1] 謝惠安,陽國太,林善梓.現(xiàn)代結(jié)核病學(xué).北京：人民衛(wèi)生出版社,2000.

[2] Liu Z, Cao S, Zhu C, et al.Application of thoracoscopic hybrid surgery in the treatment of stage Ⅲ tuberculous empyema.Ann Thorac Cardiovasc Surg, 2015, 21(6): 523-528.

[3] 石錦輝.模擬手術(shù)體位下彩超定位在局限性結(jié)核膿胸外科治療中的應(yīng)用.實用臨床醫(yī)學(xué),2013,14(9): 67-68.

[4] 王成，金鋒，楊寶嶺,等.結(jié)核性膿胸的外科治療.中華外科雜志，2004，42(22)：1402-1403.

[5] 王成，金鋒,張運曾. 慢性結(jié)核性膿胸461例外科治療回顧性分析.中華外科雜志，2015，53(8)：608-611.

[6] 竇學(xué)軍，王亮，路偉強，等.78例結(jié)核性膿胸的外科治療.中國防癆雜志，2013,35(9):738-740.

[7] 付淼，李莉，何葉松.Mimics與醫(yī)學(xué)圖像三維重建.中國現(xiàn)代醫(yī)學(xué)雜志，2010,20(19):3030-3031，3035.

[8] 洪鋒，梅炯，李明祿． 醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)綜述． 中國圖像圖形學(xué)報，2003，8(A版)(特刊)：784-791.

[9] 黃厚沐,肖海平,馬立敏.應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)對胸外科腫瘤9例臨床報告.中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2013,8(7)：90-92.

[10] 張運曾，金鋒，王成.電視輔助胸腔鏡手術(shù)在結(jié)核性膿胸治療中的應(yīng)用及進展.中國防癆雜志,2017, 39(5): 525-528.

[11] 周密,楊智峰,許俊,等.電視輔助胸腔鏡手術(shù)治療局限性結(jié)核性膿胸31例.中國防癆雜志,2017, 39(5):452-454.

(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)