三维超声在微波定量消融脾组织治疗脾亢实验研究中的应用

三维超声在微波定量消融脾组织治疗脾亢实验研究中的应用 北华大学 硕士学位三维超声在微波定量消融脾组织治疗脾亢实验研究中的应用 姓名:盛林 学位级别:硕士 专业:影像医学 指导教师:梁萍董宝玮 20040222 北华大学硕士学位论文 本人签名 ,,,,年 ,月,,日 摘 要目的:对比不同类型三维超声技术特点。通过对不，司离、活体模型的检测，寻找适用于能够对脾脏等较大脏器进行重建，且能精确测量的三维设备。利用三维超声定量技术，观测犬脾大模型中脾脏体积变化规律，为进一步的微波消融提供指导。研究微波辐剩能量与消融脾组织体积之间的关系。结合超声造影技术准确判断消融消融范围并探索影,晌消融体积的各种因素，为临床准确测量微波定量消融脾组织的体积，奠定影像学基础。材料和方法:,(离体实验分别利用,,—,,,,,,,,,,及,,,,,,—,,,,—,,,,,”两种不同类型的三维超声对,,组水囊模型、,,组离体组织块及,组移植肾进行三维重建并测量其体积。,(犬动物实验利用,,,,,,—,,,,—,,,,,”三维超声重建及动态测量,,只行胂静脉及其属支结扎的犬脾的体积，并与二维超声观察结果对比，分析犬脾的变化规律。对,,只犬，分别用,,,,,,,、,,,,,,,、,,,,,,,总能量输出为,,,,,,微波进行,,个点的消融治疗。分别于微波消融即刻、一周、二个月，行三维超声的重建和体积的测量。与,,，三维体积计算结果作对比。于外周静脉注射超声造影剂，动脉期高峰进行三维超卢重建，观察消融范围、并计算消融体积。结果:(,)磁定位的三维超声成像系统可完成较大及不规则脏器的三维重建，体积的精确测量与真实体积无明显差别(,,,(,,)因此在本实验中更适用于犬脾体积的测量。(,)三维超声可准确的反映行脾静脉结扎后犬牌的变化规律。即脾静脉结扎后犬脾迅速增大结扎后一个月内脾脏体积基本处于高峰，以后则明显呈下降趋势，但两个月内绝大多数犬脾仍大于原有脾的体积。(,)三维超声可实时观察微波消融区域，并能对消融体积作较精确的定量测量，三维超声与磁共振所测得的对微波消融体积的对比中，在判断消融区域及精测体积方面均无明显差异(,,,(,,)，但三维超声更加方便快捷，可在消融治疗过程中进行。(,)三维超声测定的相,司能量输出情况下，随着功率的进一步提高消融范围有增大趋势，但统计学上无明显差异，另外微波消融区体积还可随时间的推移而呈逐渐缩小的趋势。(,),维超声结合造影能更好的观察、评价微波消融效果，造影后三维超声测量的消融体积大于造影前 (,,,，,,)。结论:(,)磁定位三维超声可对脾脏等较大脏器进行三维重建，且可实现体积的精确测量。(,)三维超声可精确计算微波消融体积为判断治疗效果及制定进一步治疗提供准确的依据。(,)三维超声为微波定量治疗、超声造影等新技术的进一步应 北华大学硕士学位论文用提供有利的指导工具。关键词:三维超声、微波消融治疗、体积测量、 超声造影 北华大学硕士学位论文 ,,,,,,;,,,,,;,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,, ,, ,, ,,,, ,,, , ,,,,,,,, ,,, ,,;,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,, ,, ;,,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,(,,, ,,;,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,, ,, ,一, ,,;,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,, ,,,;, ,,, ,,,,,, ,, ;,,,,,,,,,,, ;,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,; 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,,,,,,,,,,,,，,,,)通过栓塞脾动脉分支，使部分脾实质发生缺血性梗死，随后机化和萎缩，消弱了脾脏破坏血细胞的功能，既改善或恢复外周血象，又保留了部分脾脏免疫功能，是有效的外科性脾切除的替代疗 法。但此法栓塞颗粒随血流漂入脾动脉分支，因此，操作中难阱精确控制栓塞体积和栓塞部位。随机漂流栓塞使脾脏各部位均出现不同程度梗死灶，如出现脾上极大面积梗死会造成严重的膈肌刺激，导致胸腔积液、肺不张等并发症。另外患者术后疼痛，高烧等并发症较重亦限制了该方法的应用。 微波消融治疗是近年来成功地应用于治疗肝癌的热消融方法，在临床上取得了较好的疗效。其主要是利用微波对生物组织加热的机制，造成组织或肿瘤全部或部分热凝固坏死。超声引导下微波消融治疗具有热效率高、凝固范围稳定可靠、疗效确实、受影响因素少、创伤小、副作用少等特点，因而在局部热疗中受到越来越多的关注。中国人民解放军总医院在前期研究发现应用不同微波输出功率与时间组合或双导同时辐射，可形成直径,(,,,(,;,甚至更大的类球形凝固，其中心温度可超过,, ,。,，周边温度也可达,,,, ,。,，能造成肿瘤细胞或正常组织不可逆坏死。另外以往实验结果还表明微波作用后，可造成动脉血管壁透壁性坏死、内皮细胞崩解、血管内血栓形成，即微波可凝固阻断组织内血流。本研究在首次将微波热疗引入脾亢的治疗，在实现了脾功能亢进的微创治疗基础上，为进一步探索微波消融治疗脾亢的效果，分析微波消融条件与消融效果及体积的关系，我们引入了三维超声技术。本课题目的(,)探索三维超声在微波热消融治疗中的应用，并评估其体积自动测量功能在介入治疗领域的临床应用价值。(,)利用三维超声技术动态观察微波消融治疗脾亢的效果，客观评价该疗法的疗效。(,)利用三维超声 北化大学硕士学位论文体积自动测量功能，准确测量微波辐射在治疗脾功能亢进的有效消融体积为临床客观制定凝脾方案提供技术准备。本课题把三维超声技术引入到脾亢的介入治疗领域，从而为保证介入治疗的准确及精控提供了可能。另外也为进一步临床应用提供定量研究的手段。 北化火学硕士学位论文 第一部分三维超声的发展及对比研究 第一节三维超声的研究现状及进展 由于人体组织复杂多样，器官形态各异，许多生物形态的特征参数难以精确测量，二维影像检查虽能提供一定程度的信息，但其精确性却存在较大差异。现代医学诊疗对人体形态学参数提出更高的要求。计算机技术的应用可以改变这一现状，通过图形图像技术，可对影像图像进行三维重建，使医生可以从多方位多层次的观察角度对影像数据进行详细的观察，可以辅助医生对病变体或感兴趣区进行定性直至准确的定量分析，这对提高影像数据的利用价值具有深远意义。三维超声技术的出现为三维影像技术提供了新的选择。 三维超声(,,,,,—,,,,,,〔,,,, ,,,,, ,,,,,，,,,,,)作为一种初始概念从,,世纪, ,年代就已出现，即超声全息摄影术(,,,,,,,;,, ,,,,,,,,,,):, ,年代,,,,,及,,, ,,,,,,等就探索使用网格方式显示心脏结构，开始将三维研究引入超声领域;,,,,年，,,,首先报道了由机械手操纵探头采集二维图像、用计算机辅助进行三维重建的三维超声成像系统，经过, ,多年的发 展三维超声己日趋成熟，尤其是近几年 来伴随着计算机技术的飞速发展，三维 超声技术已应用到临床诊断和治疗的各 个领域。 一、 基本原理 临床研究使用的三维成像系统可分 为静态三维成像(,,,,,; ,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,)和动态三维成像 图,—,—,三维超声重建原理图示 (,,,,,,; ,,,,, ,,,,,,; ,,,,,, ,,,, , , 北化大学硕士学位论文,,,,,,,)，三维超声成像过程分为数据采集、三维重构及图显示等几个步奏 (图,,,,,)。 (一)数据 采集 数据的采集(,,,, ,;？,, ,,,,,,)是实现三维成像的第一步，其采集方法可分为如下几种。 ,(机械驱动扫查(,,,,,,,,,,,,,, ,,,,;,,)将探头固定在机械装置上，由计算机控制电动马达带动探头做某种拟定形式的运动，可进行平行扫查法、扇型扫查以及旋转扫查，现已有将二维探头连同定位系统集成在一个探头里，成为所谓的“一体化探头”，使三维重构获得最佳效果(图 图,,,—,机械驱动三维扫查方式,—,—,)。 ,(自由臂扫查(,,,,,,,, ,;,,,,,,)在常规探头上附加一个位置传感器，探头在采集每幅断面超声图像的同时，传感器将位置信息同步输入计算机进行三维重建。早期的定位装置分别采用了声学定位及光学定位，但由于机械部分庞大使用不方便，目前广泛采用的是磁定位。磁定位系统由磁场发射器(,,,,,,,,,,,)、接收器(,,;,,,,,)和控制单元(;,,, ,,, ,,,,)三部分组成，工作时由控制器控制发生器不断向空间发射电磁波。接收器被固定于探头上，内有三个正交的线圈用于感应所在位置的电磁场的强度。接收器随着探头的位移，将得到的每一个切面的定位信息(含位置和角度)的数据，通过一系列坐标转换传输给计算机进行存储，并建立数据库。因此，医师在操作时做任意形式的扫查，该方法具有扫查范围大、操作灵活、定位准确等特点但要求计算机具有较大的数据存储及数据处理能力。同时扫描时 北化人学硕士学位论文还应尽量减少对磁场的干扰。 机械定位扫查和磁定位扫查都是在二维成像基础上通过对切面的精确定位而建立起来的，其成像过程均经过原始图像的采集、图像数据的存储与处理以及三维重建这三大步骤才能完成。因此这两种方法三维成像的关键取决于二维图像的质量(包括二维图像的分辨率和帧频);三维空间坐标的定位以及三维成像与显示(图卜,,,)。 卜,—,磁定位器及其板卡,(二维阵列扫查(,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,;,, ,,,,,,) 这一新的成像技术是在二维阵列换能器基础上发展起来的。该扫查技术利用矩阵型多方位声束快速扫描原理进行快速扫查成像。成像过程中利用平行处理器以达到即时速度。它通过电子学的方法控制声柬在二维空间的指向，使研究的整个空间同时被声波覆盖。然后利用先进的微电子线路，把接收的反射波转化成数字图像，实现实时三维成像。这种探头由于采用特殊的发射与接收方法，扫描速度,,传统探头比较提高数倍，在很短的时间内就可以采集到完整的三维信息，用于腹部及心脏扫查。 (二)三维图像的重建 在三维成像过程中由于数据采集的方法不同，三维重建的方法也有所不同。对于机械定位和自由臂系统，在获得了一系列二维图像和相应位置信息后，就可以将其重组。即将采集的原始数据，通过超声仪器的输出接口不断 北化人学硕士学位论文输入三维工作站，并储存在计算机内，然后计算机对按规律采集的一系列分立的二维像素进行空间定位，转换到三维坐标系中，并对之间的空隙进行像素插补及平滑处理，形成三维立体数据库(,,,, ,,,,,,)。在体元成像中图像采集间隔越小，重建图像失真度越小。 (三)三维图像的显示 目前的三维超声显像已从计算机图形学转向三维图像计算机立体模型重建。三维图像的重建早期基于立体几何构成法(,,,模型)和表面提取法 (轮廓提取法)。表面提取法包括网格型成像法和薄壳型成像法。体元模型法三维重建技术出现后即开始采用总体显示法，又称为立体显示法，显示组织结构的所有灰阶信息。并加入图像分辨率调节、灰阶域值调节及距离、阴影和纹理处理等技术，可提高三维重建图像的质量和增强立体感。实质性 脏器的内部结构为实质性均质性回声，组织结构间的反差太小，因此，在三维成像时实质性脏器的内部结构无法显示，透明成像技术的发展可望解决这一难题。该技术采用透明算法实现三维重建，淡化组织结构的灰阶信息，使之呈透明状态，而着重显示感兴趣区域的结构，同时部分保留周围组织的灰阶信息，使重建结构具有透明感和立体感，从而显示实质性脏器内部结构的空间位置关系。近年来一种新的能够将灰阶图像和彩色多普勒图像相融合的三维融合技术(,, ,,,, ,,)开始应用于临床(图,—,—,)。以往的三维成像技术中很多成像是基于图像分割技术的，这种新的基于容积显示 北化火学硕，学位论文(,,,,,,,—,,,,,,,,,)的三维技术将三维组织图像,,三维多普勒血流图像通过坐标重合产生复合图像，该显像方法能够更加充分地利用组织及血流信息，使其在临床诊断中，尤其是肿瘤诊断中更加明确和细致的表达瘤体组织及其血管的关系，对三维超声在实质性组织的应用具有重要意义。二、应用特点及操作 (一)应用特点 目前三维超声已应用到临床诊疗的很多领域。利用三维表面成像进行产前诊断，可清楚的显示胎儿的形态，帮助判断畸形的有无及畸形的复杂程厦。利用动态三维技术，可提供心脏的实时三维影像，立体显示各种心脏病变的性质、部位、形态、范围及其在心动周期中的动态变化。另外还可用于显示大血管壁的特征，组织结构和血流分支形态，并对血管内动脉硬化斑块的大小、形态及范围作出诊断。 由于三维成像提供了整个脏器的结构，可以做各种适形测量，这就保证了测量的准确性及可重复性。国内外已有相关研究的报道，如,,,,,,报道猪肝体积测量误差为,(,?,(,,;猪肾为,(,士,(,,。,,,, ,对肝内病灶体积测量误差为,,左右。另外三维超声在血流测量中，可实现真正意义上的定量测量，利用超声成像的方法获得体内血管的空间形态及分布，在此基础上，如掌握超声波的入射方向就可得到立体空问的血流真实夹角，从而得到真实的血流速度。 总之，三维超声成像具有很多优点:(,)三维超声使组织结构图像显示更加直观，医师可以在屏幕上看到脏器的解剖结构，还可以利用计算机图形学方法从不同角度显示脏器的切面或整体。这将有助于医生更全面的了解病灶信息，对提高疾病诊断的准确性有重要价值。(,)准确显示病变的空间位置为治疗提供精确引导。三维超声成像可以向医生提供病灶(尤其是实质 北化大学硕士学位论文性的肿瘤)在体内的空间位置及其三维形态，从而为超声引导介入性治疗提供定位信息，有助于提高介入穿刺的精确性并避免在治疗中误伤正常组织。 (,)精确测量脏器结构及病灶三维参数。三维超声可以准确计算脏器的三维结构信息，为人体脏器及病变的定量诊断提供可靠的依据。(,)减少重复操作缩短数据采集时间。医生可以通过复习计算机内的数据图像进行诊断，而不必反复扫查，从而缩短了病人就诊的时间。(,)减小扫查影响，实现数据化。传统的二维超声扫查由于扫查者观察的切面及手法不同，扫查图像差异显著很难实现统一化。三维成像获得完整的三维信息，大大减少了人为因素的影响，有利于超声标准化体系的建立，完整的数据信息还可利用网络进行传输从而有利于实现超声诊断的远程会诊。 基于以上特点，三维超声不仅能够提高临床诊断的直观性和准确性，也使介入医师能够更加细致精确地进行操作及研究，并可在三维重构影像的基础上，在计算机中模拟微波等介入治疗的全过程，对模拟手术的结果进行评估。这不仅有助于介入医师在手术前确定治疗的最佳方案，且可以减少正常组织的损伤，减低手术的盲目性，提高肿瘤灭活的成功率，为临床改善及 提高肿瘤的诊治水平提供了有力的支持。 (二)操作 对比各种三维成像系统，基 于磁定位系统的自由臂三维成像技术由于其扫查范围广，操作灵活且定位准确等特 点，在腹部及介入领域应用日益广.