胃-食管三維模型的建立與分析

曹璐 趙麗 駱申立 宋成利

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院 200093

0 引言

消化疾病是影響人類身心健康的主要疾病之一，其中胃食管反流疾病（gastroesophageal reflux disease，GERD）是一種較為常見的消化科疾病[1]，其是胃內(nèi)容物反流引起的不適癥狀或其并發(fā)癥。GERD在西方國家中的平均患病率約占人口的10%～20%，在亞洲中的平均患病率為6%～10%[2]。目前，我國GERD的平均患病率為7%～10%，總患者約7500萬人。我國新疆的GERD患病率全國最高，達(dá)21%，意味著每5人就有1人患有GERD。

對(duì)于GERD患者，通常的治療方式有藥物治療和外科手術(shù)治療[3]。目前，GERD的藥物治療主要以質(zhì)子泵抑制劑（proton pump inhibitors，PPI）治療為主。但多項(xiàng)研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期接受PPI治療的GERD患者的依從性較差，PPI治療對(duì)非酸性反流患者基本無效，且PPI停藥后會(huì)有75%～93%的患者復(fù)發(fā)[4-6]。上述問題給患者造成了心理及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。外科手術(shù)治療通常采取不同形式的腹腔鏡胃底折疊術(shù)重建胃-食管抗反流的解剖結(jié)構(gòu)和功能。腹腔鏡下的微創(chuàng)外科抗反流手術(shù)時(shí)間短、中期治療效果顯著，但多數(shù)患者的長(zhǎng)期治療效果并不理想[7]，其中一個(gè)主要原因是因醫(yī)生操作技能不佳導(dǎo)致的縫合線脫落。腹腔鏡下的微創(chuàng)外科抗反流手術(shù)的操作難度較大[8-11]，醫(yī)生學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)，且需要進(jìn)行大量的手術(shù)訓(xùn)練，以積累經(jīng)驗(yàn)。

因此，對(duì)外科醫(yī)生進(jìn)行相關(guān)的手術(shù)訓(xùn)練非常重要。虛擬交互訓(xùn)練系統(tǒng)可以模擬胃-食管抗反流外科手術(shù)的手術(shù)環(huán)境，但其成本高，訓(xùn)練器技術(shù)復(fù)雜，導(dǎo)致其應(yīng)用和推廣困難[12]。使用動(dòng)物模型，雖然成本較低，適合大面積推廣，但是該方法訓(xùn)練效果一般。目前，市場(chǎng)上沒有專門針對(duì)GERD的胃-食管模型。因此，設(shè)計(jì)一種可以模擬胃-食管正常形態(tài)及病變形態(tài)的胃-食管模型具有重要意義。使用該模型，外科醫(yī)生可以開展相關(guān)學(xué)習(xí)及訓(xùn)練，并可提前做相關(guān)的手術(shù)規(guī)劃，有助于他們熟練掌握操作技巧，提高手術(shù)技能。

1 材料與方法

1.1 胃解剖結(jié)構(gòu)

人胃的具體形態(tài)結(jié)構(gòu)主要包括：賁門、胃底、胃大彎、胃小彎、幽門等，如圖1所示。研究結(jié)果表明，GERD的發(fā)病機(jī)制主要為食管裂孔疝、食管下括約?。╨ow esophageal sphincter，LE S）異常、胃-食管交界部賁門松弛等。LES在食管下端和胃連接處，在該區(qū)域有約1～3 cm的高壓區(qū)。正常人在靜息時(shí)，LES壓為 10～30 mmHg，比胃內(nèi)壓高 5～10 mmHg，是阻止胃內(nèi)容物逆流入食管的一道屏障，起到生理性括約肌的作用[13-14]。賁門位于管狀食管向下延伸至囊狀的胃壁處的食-管胃交界，在食管與胃底間夾角（His角）或腹膜處反折水平，相當(dāng)于食管下括約肌下緣[15]，如圖2所示。發(fā)生胃反流時(shí)，該處屏障失去作用，胃內(nèi)容物通過賁門反流到食管或口腔[16]。

圖1 胃解剖圖

1.2 胃的CT圖像

使用CT機(jī)進(jìn)行掃描，參數(shù)為120 kV、220 mA，掃描間距為0.80 mm，掃描厚度為1.25 mm。掃描時(shí)使掃描對(duì)象固定，冠狀面與水平地面平行，掃描中線與矢狀線對(duì)齊。掃描從肩部開始至腰部為止，共得到699張斷層圖像，如圖3所示。

1.3 胃-食管模型的三維重建

胃-食管模型的三維重建過程中依此使用Mimics10.01、Geomagic Studio 12.0、Solidworks 2018，其操作步驟分別描述如下。

首先，使用Mimics 10.01軟件進(jìn)行建模。導(dǎo)入CT圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行閾值分割，選擇crop mask命令對(duì)模型進(jìn)行粗分割。使用draw和erase命令對(duì)模型進(jìn)行細(xì)分割，并在每一幀CT圖片中將胃體未選中部分補(bǔ)齊，最后補(bǔ)上食道部分。選擇calculate 3D功能，初步生成胃食管模型，并使用包覆和光滑命令對(duì)模型進(jìn)行美化。最后，導(dǎo)出模型為STL格式文件，如圖4所示。

然后，使用Geomagic Studio 12.0軟件對(duì)模型進(jìn)行處理。將STL格式的模型文件導(dǎo)入到Geomagic Studio 12.0中，創(chuàng)建模型。刪除零散在外的三角形片面，簡(jiǎn)化運(yùn)算的數(shù)據(jù)量；刪除釘狀物，并將平滑級(jí)別調(diào)整至80，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行光滑處理。由于使用Mimics建模時(shí)，閾值選取存在局限性，因此此時(shí)的模型有較多孔洞，需要進(jìn)行填充。選擇單個(gè)孔填充命令，在模型上圈定需要填充的孔洞，點(diǎn)擊孔洞的內(nèi)部邊界，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行填充。運(yùn)用“網(wǎng)格醫(yī)生”功能進(jìn)行進(jìn)一步修復(fù)，依次進(jìn)行精確曲面，自動(dòng)造面，擬合曲面。最后，將文件轉(zhuǎn)換為CAD格式，另保存為STP格式，如圖5所示。

圖2 賁門處結(jié)構(gòu)圖

最后，使用Solidworks 2018軟件對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步處理。將上一步輸出的STP格式的文件導(dǎo)入Solidworks軟件，并進(jìn)行診斷修復(fù)。由于食管部分的直徑較小，結(jié)構(gòu)修復(fù)效果不理想，需要進(jìn)行食管的重新建模。選擇并切除原有的食管，根據(jù)從文獻(xiàn)上找到的食管及賁門的相關(guān)參數(shù)，做2條食管的輪廓線為引導(dǎo)線，在食管的特征處（3個(gè)狹窄、賁門、食管口等）建立多個(gè)基準(zhǔn)面，并依次畫出食管的橫截面輪廓，然后進(jìn)行放樣，建立賁門正常形態(tài)的模型。再根據(jù)發(fā)生GERD的賁門結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，改變基準(zhǔn)面橫截面輪廓直徑，建立賁門松弛狀態(tài)的模型，如圖6所示。此后，根據(jù)局部食管CT圖像或食管造影圖像，獲得胃-食管三維模型的相關(guān)參數(shù)，如圖7所示。根據(jù)上述參數(shù)重建食管的三維模型，同時(shí)研究模型拼接的方法或算法，建立完整的胃-食管三維模型，如圖8所示。由于建立模型后要使用增材加工的方式（3D打?。┻M(jìn)行加工，為了節(jié)約材料成本，并降低加工難度，加工前對(duì)胃部粗糙、凹凸起伏的部分進(jìn)行了重建和修復(fù)，這樣加工出的模型外形更為直觀。使用Solidworks軟件重建并修復(fù)后的模型如圖8。

圖3 胃CT圖像

圖5 Geomagic Studio軟件處理后的模型

圖4 Mimics軟件處理后的模型

圖7 胃—食管模型及參數(shù)

圖6 賁門結(jié)構(gòu)圖

圖8 Solidworks軟件處理后的模型

2 結(jié) 果

2.1 模型參數(shù)

胃底到幽門的距離，成人標(biāo)準(zhǔn)值為270～320mm；本模型中，該值為276 mm。做胃部手術(shù)時(shí)，胃的容積標(biāo)準(zhǔn)值為500～800 ml；本模型中，該值約為706 ml。此外，模型的胃小彎長(zhǎng)度為157.74 mm，胃大彎長(zhǎng)度為596.42 mm，二者比例約為1∶4，均符合實(shí)際幾何參數(shù)范圍。模型的密度、質(zhì)量、容積、表面積的具體參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)結(jié)果

2.2 模型加工

為實(shí)現(xiàn)模擬胃外科手術(shù)中彎曲折疊、縫合等操作，并提供柔軟的觸感，因此選用軟性樹脂材料進(jìn)行模型的加工。加工方法為軟質(zhì)材料增材制造，所用設(shè)備為Object260 Connex3型3D打印機(jī)（美國Stratasys公司），模型材料為TangoPlus類橡膠材料（肖氏硬度為26～28 HA），支撐材料為SUP707。由于該技術(shù)的使用成本較高，且受限于3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)行程，因此無法實(shí)現(xiàn)模型的整體打印。因此，只加工了胃-食管模型的胃主體部分，而略去了食管第二狹窄處以上的部分。打印過程中，在3D打印機(jī)允許行程范圍內(nèi)，盡可能地對(duì)模型進(jìn)行放大，以便直觀、清晰地反映胃體及賁門部分。

具體的打印流程為：將模型的STL格式文件導(dǎo)入3D打印機(jī)；打印的模型體積為70.4 cm3，表面積為741.5 cm2，壁厚為4 mm，打印時(shí)間為20 h；打印完畢后取出模型，并用氫氧化鈉溶液浸泡；待支撐材料軟化后，將其去除干凈。

由于TangoPlus材料質(zhì)地較軟，模型的強(qiáng)度較差，容易斷裂。為展示模型的全貌，另選取質(zhì)地較硬的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrile butadienestyrene，ABS）材料，通過普通3D打印機(jī)加工硬質(zhì)模型。其中，打印頭將ABS材料加熱到熔融臨界狀態(tài)，使其呈現(xiàn)半流狀態(tài)；然后打印頭在軟件的控制下沿一定軌跡運(yùn)動(dòng)，并在相應(yīng)的位置使熔融材料凝結(jié)在一起；從而可以打印出完整的胃-食管模型。

圖9 胃食管模型實(shí)物圖

3 討論與結(jié)論

本文中，提出了一種基于胃-食管結(jié)構(gòu)CT圖像，利用 Mimics 10.01，Geomagic Studio 2012和 Solid-Works 2018軟件對(duì)正常及病變的胃-食管3D模型的建模與重構(gòu)方法，該方法是將機(jī)械制造領(lǐng)域中的逆向工程思想應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的實(shí)踐。其中，在使用Mimics軟件進(jìn)行建模過程中，關(guān)鍵步驟有閾值選取、粗分割和細(xì)分割。在使用Geomagic Studio軟件進(jìn)行模型處理的過程中，關(guān)鍵步驟是填充孔洞，其中在尺度相對(duì)較大的胃體區(qū)域，處理較為簡(jiǎn)單，但是處理食管部分時(shí)容易出現(xiàn)封閉，需要逐層細(xì)致填充。另外，在使用Minics處理模型時(shí)，需要使模型盡可能光滑，不能過于粗糙，否則在使用Geomagic Studio時(shí)，可能會(huì)因運(yùn)算量過大，造成自動(dòng)造面速度非常緩慢，甚至可能導(dǎo)致軟件崩潰。在使用Minics及Geomagic Studio建模和處理后，使用SolidWorks軟件完成賁門、食管處的修復(fù)或重建。建模結(jié)果表明，利用本文中提出的方法可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)胃-食管結(jié)構(gòu)的3D建模，且模型的各項(xiàng)幾何參數(shù)均符合實(shí)際尺寸范圍。建模結(jié)束后，使用軟性3D打印技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行了加工。

利用上述方法建立并加工的模型，可以作為胃外科手術(shù)模擬訓(xùn)練器的基礎(chǔ)材料。在實(shí)際應(yīng)用中，可基于該模型考慮在膈肌、食管下括約肌、食管與胃底間夾角（His角）等處，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或功能缺陷，還可考慮添加食管下括約肌壓力、胃內(nèi)壓變化等影響因素，從而為醫(yī)學(xué)教學(xué)和胃外科臨床的手術(shù)模擬訓(xùn)練提供仿真模型。例如，醫(yī)學(xué)學(xué)生和臨床醫(yī)生可利用該模型進(jìn)行腹腔鏡下的胃底折疊術(shù)和胃鏡下的食管腔內(nèi)抗反流手術(shù)訓(xùn)練，幫助其熟練并提高操作技巧；還可利用該模型進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，提升手術(shù)水平。本文中建立的胃-食管模型也可為醫(yī)療產(chǎn)品研發(fā)提供仿真平臺(tái)，研究者可在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)其他胃食管病變的模塊，進(jìn)一步提高該模型的利用率。此外，研究者可以利用本文中提出的基于CT圖像建立器官模型的方法，建立其他器官的仿真模型。

本文中僅對(duì)基于胃-食管結(jié)構(gòu)CT圖像建模的原理、步驟及過程進(jìn)行了說明，其中對(duì)胃-食管模型的分析為簡(jiǎn)單的靜態(tài)分析，只包括了模型的大小、位置和形狀。在未來的研究中，可對(duì)胃反流的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分析，并考慮發(fā)生胃反流時(shí)的相關(guān)力學(xué)特性。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突