胃-食管三维模型的建立与分析

曹璐 赵丽 骆申立 宋成利

上海理工大学医疗器械与食品学院 200093

0 引言

消化疾病是影响人类身心健康的主要疾病之一，其中胃食管反流疾病（gastroesophageal reflux disease，GERD）是一种较为常见的消化科疾病[1]，其是胃内容物反流引起的不适症状或其并发症。GERD在西方国家中的平均患病率约占人口的10%～20%，在亚洲中的平均患病率为6%～10%[2]。目前，我国GERD的平均患病率为7%～10%，总患者约7500万人。我国新疆的GERD患病率全国最高，达21%，意味着每5人就有1人患有GERD。

对于GERD患者，通常的治疗方式有药物治疗和外科手术治疗[3]。目前，GERD的药物治疗主要以质子泵抑制剂（proton pump inhibitors，PPI）治疗为主。但多项研究结果表明，长期接受PPI治疗的GERD患者的依从性较差，PPI治疗对非酸性反流患者基本无效，且PPI停药后会有75%～93%的患者复发[4-6]。上述问题给患者造成了心理及经济负担。外科手术治疗通常采取不同形式的腹腔镜胃底折叠术重建胃-食管抗反流的解剖结构和功能。腹腔镜下的微创外科抗反流手术时间短、中期治疗效果显著，但多数患者的长期治疗效果并不理想[7]，其中一个主要原因是因医生操作技能不佳导致的缝合线脱落。腹腔镜下的微创外科抗反流手术的操作难度较大[8-11]，医生学习曲线较长，且需要进行大量的手术训练，以积累经验。

因此，对外科医生进行相关的手术训练非常重要。虚拟交互训练系统可以模拟胃-食管抗反流外科手术的手术环境，但其成本高，训练器技术复杂，导致其应用和推广困难[12]。使用动物模型，虽然成本较低，适合大面积推广，但是该方法训练效果一般。目前，市场上没有专门针对GERD的胃-食管模型。因此，设计一种可以模拟胃-食管正常形态及病变形态的胃-食管模型具有重要意义。使用该模型，外科医生可以开展相关学习及训练，并可提前做相关的手术规划，有助于他们熟练掌握操作技巧，提高手术技能。

1 材料与方法

1.1 胃解剖结构

人胃的具体形态结构主要包括：贲门、胃底、胃大弯、胃小弯、幽门等，如图1所示。研究结果表明，GERD的发病机制主要为食管裂孔疝、食管下括约肌（low esophageal sphincter，LE S）异常、胃-食管交界部贲门松弛等。LES在食管下端和胃连接处，在该区域有约1～3 cm的高压区。正常人在静息时，LES压为 10～30 mmHg，比胃内压高 5～10 mmHg，是阻止胃内容物逆流入食管的一道屏障，起到生理性括约肌的作用[13-14]。贲门位于管状食管向下延伸至囊状的胃壁处的食-管胃交界，在食管与胃底间夹角（His角）或腹膜处反折水平，相当于食管下括约肌下缘[15]，如图2所示。发生胃反流时，该处屏障失去作用，胃内容物通过贲门反流到食管或口腔[16]。

图1 胃解剖图

1.2 胃的CT图像

使用CT机进行扫描，参数为120 kV、220 mA，扫描间距为0.80 mm，扫描厚度为1.25 mm。扫描时使扫描对象固定，冠状面与水平地面平行，扫描中线与矢状线对齐。扫描从肩部开始至腰部为止，共得到699张断层图像，如图3所示。

1.3 胃-食管模型的三维重建

胃-食管模型的三维重建过程中依此使用Mimics10.01、Geomagic Studio 12.0、Solidworks 2018，其操作步骤分别描述如下。

首先，使用Mimics 10.01软件进行建模。导入CT图像数据，进行阈值分割，选择crop mask命令对模型进行粗分割。使用draw和erase命令对模型进行细分割，并在每一帧CT图片中将胃体未选中部分补齐，最后补上食道部分。选择calculate 3D功能，初步生成胃食管模型，并使用包覆和光滑命令对模型进行美化。最后，导出模型为STL格式文件，如图4所示。

然后，使用Geomagic Studio 12.0软件对模型进行处理。将STL格式的模型文件导入到Geomagic Studio 12.0中，创建模型。删除零散在外的三角形片面，简化运算的数据量；删除钉状物，并将平滑级别调整至80，系统自动对模型进行光滑处理。由于使用Mimics建模时，阈值选取存在局限性，因此此时的模型有较多孔洞，需要进行填充。选择单个孔填充命令，在模型上圈定需要填充的孔洞，点击孔洞的内部边界，系统将会自动对其进行填充。运用“网格医生”功能进行进一步修复，依次进行精确曲面，自动造面，拟合曲面。最后，将文件转换为CAD格式，另保存为STP格式，如图5所示。

图2 贲门处结构图

最后，使用Solidworks 2018软件对模型进行进一步处理。将上一步输出的STP格式的文件导入Solidworks软件，并进行诊断修复。由于食管部分的直径较小，结构修复效果不理想，需要进行食管的重新建模。选择并切除原有的食管，根据从文献上找到的食管及贲门的相关参数，做2条食管的轮廓线为引导线，在食管的特征处（3个狭窄、贲门、食管口等）建立多个基准面，并依次画出食管的横截面轮廓，然后进行放样，建立贲门正常形态的模型。再根据发生GERD的贲门结构相关参数，改变基准面横截面轮廓直径，建立贲门松弛状态的模型，如图6所示。此后，根据局部食管CT图像或食管造影图像，获得胃-食管三维模型的相关参数，如图7所示。根据上述参数重建食管的三维模型，同时研究模型拼接的方法或算法，建立完整的胃-食管三维模型，如图8所示。由于建立模型后要使用增材加工的方式（3D打印）进行加工，为了节约材料成本，并降低加工难度，加工前对胃部粗糙、凹凸起伏的部分进行了重建和修复，这样加工出的模型外形更为直观。使用Solidworks软件重建并修复后的模型如图8。

图3 胃CT图像

图5 Geomagic Studio软件处理后的模型

图4 Mimics软件处理后的模型

图7 胃—食管模型及参数

图6 贲门结构图

图8 Solidworks软件处理后的模型

2 结 果

2.1 模型参数

胃底到幽门的距离，成人标准值为270～320mm；本模型中，该值为276 mm。做胃部手术时，胃的容积标准值为500～800 ml；本模型中，该值约为706 ml。此外，模型的胃小弯长度为157.74 mm，胃大弯长度为596.42 mm，二者比例约为1∶4，均符合实际几何参数范围。模型的密度、质量、容积、表面积的具体参数见表1。

表1 模型参数结果

2.2 模型加工

为实现模拟胃外科手术中弯曲折叠、缝合等操作，并提供柔软的触感，因此选用软性树脂材料进行模型的加工。加工方法为软质材料增材制造，所用设备为Object260 Connex3型3D打印机（美国Stratasys公司），模型材料为TangoPlus类橡胶材料（肖氏硬度为26～28 HA），支撑材料为SUP707。由于该技术的使用成本较高，且受限于3D打印机的运动行程，因此无法实现模型的整体打印。因此，只加工了胃-食管模型的胃主体部分，而略去了食管第二狭窄处以上的部分。打印过程中，在3D打印机允许行程范围内，尽可能地对模型进行放大，以便直观、清晰地反映胃体及贲门部分。

具体的打印流程为：将模型的STL格式文件导入3D打印机；打印的模型体积为70.4 cm3，表面积为741.5 cm2，壁厚为4 mm，打印时间为20 h；打印完毕后取出模型，并用氢氧化钠溶液浸泡；待支撑材料软化后，将其去除干净。

由于TangoPlus材料质地较软，模型的强度较差，容易断裂。为展示模型的全貌，另选取质地较硬的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrile butadienestyrene，ABS）材料，通过普通3D打印机加工硬质模型。其中，打印头将ABS材料加热到熔融临界状态，使其呈现半流状态；然后打印头在软件的控制下沿一定轨迹运动，并在相应的位置使熔融材料凝结在一起；从而可以打印出完整的胃-食管模型。

图9 胃食管模型实物图

3 讨论与结论

本文中，提出了一种基于胃-食管结构CT图像，利用 Mimics 10.01，Geomagic Studio 2012和 Solid-Works 2018软件对正常及病变的胃-食管3D模型的建模与重构方法，该方法是将机械制造领域中的逆向工程思想应用到生物医学工程领域的实践。其中，在使用Mimics软件进行建模过程中，关键步骤有阈值选取、粗分割和细分割。在使用Geomagic Studio软件进行模型处理的过程中，关键步骤是填充孔洞，其中在尺度相对较大的胃体区域，处理较为简单，但是处理食管部分时容易出现封闭，需要逐层细致填充。另外，在使用Minics处理模型时，需要使模型尽可能光滑，不能过于粗糙，否则在使用Geomagic Studio时，可能会因运算量过大，造成自动造面速度非常缓慢，甚至可能导致软件崩溃。在使用Minics及Geomagic Studio建模和处理后，使用SolidWorks软件完成贲门、食管处的修复或重建。建模结果表明，利用本文中提出的方法可以较好地实现对胃-食管结构的3D建模，且模型的各项几何参数均符合实际尺寸范围。建模结束后，使用软性3D打印技术对模型进行了加工。

利用上述方法建立并加工的模型，可以作为胃外科手术模拟训练器的基础材料。在实际应用中，可基于该模型考虑在膈肌、食管下括约肌、食管与胃底间夹角（His角）等处，设计结构或功能缺陷，还可考虑添加食管下括约肌压力、胃内压变化等影响因素，从而为医学教学和胃外科临床的手术模拟训练提供仿真模型。例如，医学学生和临床医生可利用该模型进行腹腔镜下的胃底折叠术和胃镜下的食管腔内抗反流手术训练，帮助其熟练并提高操作技巧；还可利用该模型进行手术规划，提升手术水平。本文中建立的胃-食管模型也可为医疗产品研发提供仿真平台，研究者可在其基础上设计其他胃食管病变的模块，进一步提高该模型的利用率。此外，研究者可以利用本文中提出的基于CT图像建立器官模型的方法，建立其他器官的仿真模型。

本文中仅对基于胃-食管结构CT图像建模的原理、步骤及过程进行了说明，其中对胃-食管模型的分析为简单的静态分析，只包括了模型的大小、位置和形状。在未来的研究中，可对胃反流的动态过程进行分析，并考虑发生胃反流时的相关力学特性。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突