计算机辅助微波热消融计划系统在子宫腺肌症治疗中的应用

盛林，翟伟明，卜云芸，孙铁梅

1. 清华大学玉泉医院 肿瘤消融中心，北京 100049；2. 清华大学 计算机科学与技术系，北京 100084

微波消融治疗具有热效率高、凝固范围可靠、疗效确切、安全、无严重并发症等特点，是肿瘤微创治疗的方法之一，已广泛应用于临床[1]。早期，微波消融主要应用于肝癌、肾癌、肺癌等肿瘤的治疗[2-4]。

计算机辅助外科（Computer Assisted Surgery，CAS）是随着计算机技术和影像学的发展而产生的[5]。早在20世纪70~80年代，国外就有了关于CAS研发和临床应用的报道[6]。近十几年来，美国、德国、法国、日本等发达国家的政府和科研机构投巨资于CAS的研究，CAS应用领域包括神经外科、耳鼻咽喉科、矫形外科、骨科等[7]。目前，CAS在国内外已进入成熟发展期，很大一部分已进入临床试验阶段，部分已经投入商业使用[8-9]。

子宫腺肌症在妇科疾病中的发病率仅次于子宫肌瘤[10]，患者主要以痛经、经量增大、经期时间长和贫血等主要临床表现就医。其病因和发病机制不是十分明确，治疗效果常不尽如人意。药物治疗毒、副作用较大；手术挖除病灶不彻底、易复发；子宫切除又会导致患者丧失器官、生活质量降低。近几年，微波消融在子宫病变如子宫肌瘤、腺肌瘤及腺肌病治疗中的应用的报道陆续出现，且治疗的效果和安全性也得到了肯定[11-13]。但是子宫腺肌症是异位内膜侵入子宫内壁，与周围正常组织没有分界，既要最大程度地消除异位病灶，又要防止子宫内膜及子宫周围正常组织的损伤，需要在术前进行充分的规划和预测。本研究初步尝试将计算机辅助系统引入子宫腺肌症的热消融治疗中，探索其应用方法和效果。

1 CAINS-I计算机辅助微波热消融计划系统

本研究所采用的CAINS-I计算机辅助微波热消融计划系统是由清华大学医疗信息科学与技术试验室联合清华大学玉泉医院肿瘤消融中心与北京华康同邦科技有限公司共同开发的。该系统主要由3部分构成：手术数据管理平台、手术计划系统及手术评估系统。

1.1 手术数据管理平台

患者的影像数据是构建手术计划的基础，为了提高消融手术计划精度并保证重建后的效果，一般情况下需采用患者的CT影像，行1.5~2.0 mm无间隔重建，通过网络或光盘等可直接载入支持DICOM标准的系统。为了对比手术的治疗效果，同一患者的数据要建立在一起。启动计算机后，系统自动进入CAINS-I计算机辅助介入导航系统的主界面-手术管理界面。导航系统的手术数据管理包括4个功能模块：患者搜索、患者基本信息、电子病历列表及电子病历信息。新建患者病历要输入患者名称、性别、年龄等基本信息，并将患者术前CT或MRI影像导入到手术系统中。

1.2 手术计划系统

手术计划系统可基于三维人体影像，构建手术模拟与仿真平台。区别于传统微波热消融手术，计划系统可以提前计算消融毁损区的范围，模拟穿刺路径，预估消融可能产生的并发症及其副作用。

1.2.1 靶目标区域计算

热消融手术计划首先要计算患者靶目标区域，虽然本系统支持肿瘤区域的自动识别，但由于肿瘤的影像特点非常复杂，增强后表现也不完全一致，因此靶目标的确认还需要结合人工识别。医生可以在相互垂直的3个平面上勾画病灶边界，或根据临床需要增加勾画平面的数量，系统会根据勾画区域的CT值自动包络靶目标，并进行三维重建，从而在三维空间显示病灶的大小、形态及与周围重要脏器、组织的位置关系，还可对病灶体积进行测量，以更好地反应病灶发展状况。病灶勾画界面的横断面为径向设轴基准面，冠状面和矢状面为病灶具体勾画界面。病灶重建后的肿瘤模型显示在三维显示区。

1.2.2 消融区域的模拟计算

消融区域的计算是能否准确规划的关键。首先要根据生物热学的原理建立靶目标区热损伤范围的物理模型，根据模型推导出数值求解方法，最终再通过实验结果反复修正计算公式，以达到最接近真实疗效的目的。但治疗过程中，如果治疗区域靠近大血管，微波不能有效凝闭血管时，热场将受到一定程度的影响。

一般情况下，生物组织中的热传输规律与热损伤场计算包括微波能量场建模、组织温度场计算和热损伤场计算：通过微波能量经验公式计算组织吸收的微波能量的空间分布情况；再将能量场作为消融区生物传热学计算的内热源项，利用Pennes方程计算相关消融区空间温度分布；最后根据组织温度场中的温度阈计算肿瘤组织加热损伤的情况。组织受热坏死时，蛋白质变性，微血管凝固，会导致生物组织各种热力学参数发生变化。所以，在实际计算过程中，需要综合计算生物传热参数和温度场及损伤场，通过多次迭代的方式获得更加符合生物传热学规律的结果。

1.2.3 手术路径规划

手术路径规划是手术计划的关键，通过模拟不同进针点可以观察手术过程中进针路径可能形成的风险和损伤，并做好规避这些风险的准备；入针点、空间角度以及进针深度的计算，对手术的正确实施具有重要意义。

添加手术规划路径时，平面影像上可以显示路径上微波针在该平面的投影及其与皮肤相交的进针点位置，并可通过鼠标进行各种操作。三维影像显示区可显示基于患者手术关联的影像重建的三维立体模型，三维模型中可显示路径上微波针的位置。

在手术路径规划界面，分别对每一根微波针的进针深度、消融功率、消融时间进行预设，系统可以根据预设的参数自动计算出基于该规划路径的微波能量场以及该能量场所导致的组织温度场和相应的组织损伤场。计算出来的损伤场可以叠加在预设消融的三维立体模型上，从而使得医生可以根据损伤场和预设消融范围的重合情况来调整手术路径的各种参数以获得最佳的手术规划路径。微波热场计算的原理是利用Pennes 生物传热方程来计算由该能量场所导致的组织温度场，再利用Arrhenius方程可以计算出相应的组织损伤场。通过计算机模拟热损伤场及有效消融区，将模拟数据通过空间坐标拟合与患者三维CT重建影像进行匹配，就可以计算出基于手术计划路径的微波能量消融范围，从而辅助医生根据热损伤区域和靶目标的情况来调整手术路径治疗时间、功率等参数进而获得最优的治疗计划。

1.3 手术评估系统

手术评估系统可将术前、术后的三维影像进行坐标拟合，通过对靶目标区与消融区的对比，评估手术效果。手术评估系统不仅可评估CT影像，还可以将MR影像甚至超声影像通过建立人工坐标系的方法进行对比评估，不仅能够准确评估消融治疗的效果，还可以为进一步的手术或者补充治疗提供精准的计划与评价。

2 计算机辅助微波热消融计划系统在子宫腺肌症中的应用

2.1 资料与方法

2.1.1 临床资料

患者女性，37岁，经期下腹部及腰部酸痛进行性加重6年，有5次刮宫史，未育，但无生育要求。痛经评分4分，已影响其正常生活和睡眠，经期必须口服镇痛药物止痛。经量中等，经期时间长，无贫血。结合超声造影及增强CT两种影像学检查排除子宫其他病变的可能。

2.1.2 方法

（1）手术消融区域重建与靶区规划。手术前，对患者进行盆腔CT扫查，将影像数据行2.0 mm无间隔重建，建立患者病历档案，将数据导入CAINS-I计算机辅助微波热消融计划系统，通过实时三维重建技术显示出患者的子宫及其周围组织的基本结构；医生在CT图像上找到病灶所在的断层图像，由于该患者的内膜异位病灶呈弥漫性分布，且主要集中在子宫前壁，因此选择规划患者前壁的靶目标区；通过手动结合自动的靶区勾画方法在矢状面和横切面勾勒出预设的消融范围，为保护子宫内膜组织不受影响，保持勾勒的消融范围距内膜约5 mm，并且在多个层面进行勾勒，以便得到更多的图象信息，然后生成直观的三维消融体，并融合显示到患者的三维显示图上；系统自动计算出所形成的三维消融体的体积。

（2）手术规划。进入系统的手术规划界面，在患者的三维影像上规划微波消融手术的实施方案，包括手术微波消融针的数量、进针的位置、进针的深度以及微波针的作用功率和时间。具体的设计方案为：预设点1（病灶左后侧），进针深度100 mm，作用功率50 W，作用时间900 s；预设点2（病灶左前侧），进针深度110 mm，作用功率50 W，作用时间600 s；预设点3（病灶右后侧），进针深度110 mm，作用功率50 W，作用时间600 s。

（3）术中规划的实现。手术过程中，由于我们预设的消融范围较大，所需的消融针为3根，但考虑到患者的实际经济承受能力，先用两根消融针插入预设点1和预设点2，按术前规划的入针位置、深度、作用功率和时间完成消融；然后拔出消融针消毒后，再将其插入预设点3并按术前规划完成消融。手术在全麻下进行，术中的微波消融全过程均在实时超声引导下进行。

（4）手术评估。术后第3天，患者进行术后三维MRI扫查，并将术后影像与术前影像进行对比，对手术效果进行评价。

2.2 结果

患者术前预设消融范围由系统自动生成的消融体积约为110.8 cm3，术后通过影像勾勒出的实际消融体积约为103.1 cm3，符合率约为93.1%。术中没有损伤到子宫内膜及子宫周围正常组织。经过一次治疗，患者临床症状得到了有效缓解。精准的手术计划既达到了良好的临床治疗效果，又有效地避免了副损伤的发生。

3 讨论

本研究表明，术前利用CAINS-I计算机辅助微波热消融计划系统进行手术规划，辅助医生寻找到最佳的手术路径及最佳的热疗参数，制定合理的手术计划，能够提高手术的计划准确性、实施效率、安全性和疗效。本研究中，患者术后实际消融体积较术前规划的消融体积小，符合率为93.1%，考虑可能是因为消融区域血流较丰富，将部分热量带走，从而导致临近血管的消融区域温度低于理论预设值，导致消融实际范围较预设范围小[14]；也可能因为本系统的热场模拟计算的生物组织密度不同，导致热疗计算结果会有一定差异，需要在今后通过动物标本实验及临床手术测量获取进一步的统计数据进行验证、修正，从而提高其模拟精度。本研究局限性在于研究对象为1例子宫腺肌症患者，虽然结果表明该系统能够科学地引导临床手术，提高临床手术的可预见性，但仍需通过大样本的应用研究进行进一步验证。

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