使用LAP激光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CT引導(dǎo)下精準(zhǔn)穿刺體表定位的方法

吳叢業(yè)，時(shí)飛躍，趙環(huán)宇，陳飛

南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院） 腫瘤內(nèi)科，江蘇 南京 210006

引言

CT引導(dǎo)下穿刺是引流、組織活檢、消融以及放射性粒子植入等技術(shù)的基礎(chǔ)。精準(zhǔn)的體表定位能夠保證CT引導(dǎo)下穿刺的順利進(jìn)行。定位柵條作為一種常用工具，具有簡(jiǎn)單適用、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。但在實(shí)際操作中，如需要術(shù)中定位或者多點(diǎn)穿刺等情況下，使用定位柵條反而繁瑣復(fù)雜。采用可移動(dòng)激光設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)定位穿刺是一種可行的方法[2-3]。為了進(jìn)一步完善數(shù)字化精準(zhǔn)定位功能，本研究利用虛擬模擬Vsim工作站和LAP激光燈系統(tǒng)坐標(biāo)功能，通過模擬操作和實(shí)踐，證實(shí)外置激光系統(tǒng)能夠用于CT引導(dǎo)下穿刺體表定位，方法簡(jiǎn)單可靠。本文將介紹本方法的具體應(yīng)用。

1 材料和方法

1.1 材料

CT模擬機(jī)：西門子公司的SOMATOM Sensation Open CT模擬機(jī)，配備CIVCO全碳素平板床、主機(jī)、輔機(jī)工作站以及具有虛擬模擬功能的Vsim工作站。激光定位系統(tǒng)：LAP公司的DORADO3系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括3支激光燈，CT機(jī)架兩側(cè)兩支激光燈投射水平位激光線，可沿患者腹背方向運(yùn)動(dòng)；機(jī)架上方天花板上激光燈投射矢狀位激光線，可沿患者左右方向運(yùn)動(dòng)，激光燈運(yùn)動(dòng)由臺(tái)式電腦上Keypad Emulation 1.0軟件控制。WPS辦公軟件包中的WPS表格，版本為WPS 10.1.0.6690。

1.2 坐標(biāo)系的建立

（1）P（Patient）坐標(biāo)系。采用Vism工作站中坐標(biāo)系，單位為cm。工作站中坐標(biāo)系方向和患者體位相關(guān)，患者取仰臥位頭朝機(jī)架（Head First-Supine）時(shí)，坐標(biāo)系方向如圖1所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算，無論患者實(shí)際為何種體位，可在CT主臺(tái)工作站中均設(shè)定為仰臥位頭朝機(jī)架方向。參考既往研究[4]，在患者體表同一橫斷面貼三個(gè)鉛標(biāo)記點(diǎn)，以其所確定坐標(biāo)系的中心點(diǎn)為原始等中心點(diǎn)，用M表示。

（2）L（Laser）坐標(biāo)系。L坐標(biāo)系的原點(diǎn)用O表示；坐標(biāo)系方向如圖1所示，單位為mm。在實(shí)際操作中，通過Keypad Emulation 1.0軟件設(shè)定O點(diǎn)坐落在M點(diǎn)上，使P坐標(biāo)系和L坐標(biāo)系建立聯(lián)系；P坐標(biāo)系和L坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)需要單位轉(zhuǎn)換。

圖1 外置激光系統(tǒng)、CT模擬機(jī)、L坐標(biāo)系和P坐標(biāo)系

（3）初始CT床位。CT床垂直高度（Superior-Inferior，Vertical）用VRT表示；前后方向位置（Anterior-Posterior，Longitude）用LNG表示；單位為mm。在患者體表同一橫斷面貼三個(gè)鉛標(biāo)記點(diǎn)，此時(shí)床位為O/M點(diǎn)床位y(Couch, M)，用CT機(jī)架上顯示的LNG值表示。

（4）體表定位點(diǎn)。Vsim工作站中確定體表穿刺點(diǎn)（Surface Puncture）為S(n)，n為穿刺點(diǎn)的序號(hào)。在Vsim工作站中，可以自動(dòng)顯示M點(diǎn)和S點(diǎn)坐標(biāo)，代入WPS表格得出S點(diǎn)相對(duì)于M點(diǎn)的位移：

設(shè)定L坐標(biāo)系的O點(diǎn)坐落在P坐標(biāo)系的M點(diǎn)上，M為原點(diǎn)，故L坐標(biāo)系中初始x(L,M)、y(L,M)和z(L,M)均為0 mm。激光燈在L坐標(biāo)系中的位移：

因激光燈不能在頭腳方向移動(dòng)，移動(dòng)CT床代替L坐標(biāo)系y軸方向。在L坐標(biāo)系中：

（5）體表穿刺點(diǎn)為L(zhǎng)坐標(biāo)系三條軸的交叉點(diǎn)。左右方向?yàn)閤軸，輸入x(L,S)值控制激光燈C投射“十”字線；頭腳方向?yàn)閥軸，輸入y(Couch,s)控制CT床移動(dòng)；上下方向?yàn)閦軸，根據(jù)穿刺點(diǎn)在體表左右，輸入z(L,S)控制激光燈A（穿刺點(diǎn)偏機(jī)架左側(cè)）或激光燈B（穿刺點(diǎn)偏機(jī)架右側(cè)）投射“十”字線。

1.3 工作表的制作

使用WPS工作表公式編輯功能，制作了專用的WPS表格。該工作表包含醫(yī)療信息和穿刺點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算兩大部分。不同的背景填充顏色由不同的含義：藍(lán)色表示輸入，茶色表示不需要輸入，淺綠色表示最終的位置計(jì)算結(jié)果。公式(1)(2)(3)對(duì)應(yīng)的在WPS中的輸入方式分別為：E17=B14=B13-B12，E18=E14=E13-E12和E20=H14=H13-H12。公式(4)(5)(6)對(duì)應(yīng)的在WPS中的 輸 入 方 式 分別為：H17=10×E17，H18=-10×E20和H20= -10×E18。公式(7)(8)(9)在WPS中的輸入方式為：K17=H17，K20=H20和 K19=B19-H18=K10-H18。具體工作表，見圖2。

圖2 用于計(jì)算體表定位點(diǎn)參數(shù)的WPS表格

2 應(yīng)用步驟

使用上述方法確定患者體表定位點(diǎn)的具體應(yīng)用方法如下：

（1）患者保持固定體位在CT模擬機(jī)上，使用激光燈在同一橫斷面投射出三個(gè)“十”字交叉點(diǎn)，A、B激光燈投射出的交叉點(diǎn)在同一水平高度。在患者體表標(biāo)記出并貼上鉛粒，作為原始等中心點(diǎn)M的體表標(biāo)記。輸入此時(shí)床VRT和床LNG值。為避免鉛粒占據(jù)穿刺位點(diǎn)，該橫斷面盡量不在擬穿刺區(qū)域內(nèi)。

（2）對(duì)患者進(jìn)行CT掃描。將掃描的CT圖像傳到虛擬模擬Vsim工作站。Vsim工作站中根據(jù)患者體表同一橫斷面三個(gè)鉛標(biāo)記點(diǎn)，得出P坐標(biāo)系中M點(diǎn)的坐標(biāo)（圖3）。

圖3 Vism工作站中設(shè)定P坐標(biāo)系M點(diǎn)坐標(biāo)

（3）在Vsim工作站中確定體表穿刺點(diǎn)，并記錄S點(diǎn)坐標(biāo)（圖4）。

圖4 Vism工作站中設(shè)定體表穿刺點(diǎn)S坐標(biāo)

（4）M/O點(diǎn)坐標(biāo)和S點(diǎn)坐標(biāo)輸入WPS表格，算出△x(P)、△y(P)和△z(P)。

（5）根據(jù)△x(P)、△y(P)和△z(P)換算出△x(L)、△y(L)和△z(L)，進(jìn)一步算出x(L,S)、y(L,S)和z(L,S)的值。

（6）將激光燈投射的三個(gè)“十”字交叉點(diǎn)與患者體表的三個(gè)原始“十”字線對(duì)準(zhǔn)，此時(shí)L坐標(biāo)系O點(diǎn)坐落在P坐標(biāo)系M點(diǎn)上。

（7）y(Couch,M)由輸入的床LNG值得出，自動(dòng)換算出y（Couch,S）數(shù)值，操作CT床到該床位。

（8）根據(jù)具體穿刺位置，選擇A、B、C三個(gè)激光燈，使用Keypad Emulation 1.0軟件（圖5）按（6）中數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)激光燈至對(duì)應(yīng)位置，激光“十”字交叉點(diǎn)的體表投影即為穿刺點(diǎn)。

圖5 驅(qū)動(dòng)外置激光系統(tǒng)的Keypad Emulation 1.0軟件

（9）如有多個(gè)穿刺點(diǎn)，從（3）重復(fù)開始。

3 討論

本文介紹了可移動(dòng)LAP激光系統(tǒng)在CT引導(dǎo)下精準(zhǔn)定位穿刺中的應(yīng)用。隨著CT引導(dǎo)下微創(chuàng)治療應(yīng)用領(lǐng)域的推廣，對(duì)精準(zhǔn)定位穿刺的要求越來越高。傳統(tǒng)使用的定位柵條，能夠滿足簡(jiǎn)單的定位需求[1]。但是在一些復(fù)雜操作，尤其是有多個(gè)穿刺點(diǎn)需要反復(fù)定位的情況下，高效、方便、精準(zhǔn)的定位方式更為重要?？梢苿?dòng)激光系統(tǒng)是外放療定位的常用設(shè)備，具有操控簡(jiǎn)便、精準(zhǔn)定位的優(yōu)點(diǎn)[5]。張艷蘭等[6]使用激光定位線和CT內(nèi)定位線進(jìn)行肺部精準(zhǔn)定位穿刺。本研究在可移動(dòng)LAP激光系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬模擬Vsim工作站，進(jìn)一步完善精準(zhǔn)定位的功能。該方法主要分為三步：① CT掃描獲取參考點(diǎn)與穿刺點(diǎn)，利用Vsim工作站坐標(biāo)體系建立空間位置關(guān)系；② LAP激光系統(tǒng)坐標(biāo)系原點(diǎn)取Vsim工作站中患者坐標(biāo)系中心點(diǎn)，將激光坐標(biāo)系和患者坐標(biāo)系建立聯(lián)系；③ 使用設(shè)計(jì)好的WPS表格計(jì)算3個(gè)方向的位移值，控制進(jìn)出床和移動(dòng)激光燈，實(shí)現(xiàn)體表穿刺點(diǎn)位置的標(biāo)記。需要指出的是，LAP激光系統(tǒng)中兩側(cè)激光燈（A和B）默認(rèn)始終保持在同一水平高度，根據(jù)體表穿刺點(diǎn)在患者的左右決定使用哪一側(cè)激光燈。確認(rèn)床位并調(diào)整好激光燈后，理論上，激光燈C投射“十”字交叉點(diǎn)和激光燈A/B投射“十”字交叉點(diǎn)重合。由于體表結(jié)構(gòu)弧度形態(tài)，靠近胸骨中線的穿刺點(diǎn)優(yōu)選頂端激光燈（C）投影，靠近腋窩中線的穿刺點(diǎn)優(yōu)選側(cè)位激光燈A/B投影。

CT引導(dǎo)下微創(chuàng)治療應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在放射性粒子植入、多點(diǎn)穿刺引流或活檢、術(shù)中再定位等復(fù)雜操作情況下，本文介紹的方法可以避免手術(shù)區(qū)域再消毒、重復(fù)掃描CT等潛在問題。在術(shù)前一次性貼好標(biāo)記點(diǎn)，利用模擬軟件進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，調(diào)整外置激光燈系統(tǒng)即可精準(zhǔn)定位。體表標(biāo)記點(diǎn)是介導(dǎo)患者坐標(biāo)系和激光坐標(biāo)系統(tǒng)的重要因素，需要工作人員精準(zhǔn)細(xì)致的操作。另外，體表標(biāo)記點(diǎn)盡量不要貼在擬手術(shù)區(qū)域，避免產(chǎn)生占位影響操作；但如果離手術(shù)區(qū)域過遠(yuǎn)，體表標(biāo)記點(diǎn)輕微誤差可能導(dǎo)致較多的偏離。醫(yī)師和其他工作人員在操作前要仔細(xì)閱讀患者CT圖像，規(guī)劃好操作初步計(jì)劃。

目前，利用三維導(dǎo)航技術(shù)、數(shù)控穿刺引導(dǎo)儀以及穿刺固定儀等技術(shù)設(shè)備提高穿刺精準(zhǔn)性的方法也在探索應(yīng)用中[7-9]。本研究不同之處是將患者坐標(biāo)系和外置定位坐標(biāo)系結(jié)合到一起。如果將機(jī)械臂等設(shè)備結(jié)合到一起，在虛擬模擬工作站中制定治療計(jì)劃，不僅能夠定位，而且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化操作，達(dá)到精準(zhǔn)治療的目的。圖像引導(dǎo)下微創(chuàng)治療是一個(gè)廣泛的概念，在顱腦外科、脊柱外科等微創(chuàng)手術(shù)中也發(fā)揮重要作用[10-12]。隨著CT及圖形引導(dǎo)技術(shù)的成熟，越來越多的手術(shù)可以利用微創(chuàng)方式完成[13-15]。

在人工智能日益推廣的大環(huán)境下，CT引導(dǎo)下微創(chuàng)治療正向數(shù)字化精準(zhǔn)方向快速邁進(jìn)[16]。本方法借助外置激光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了CT引導(dǎo)下微創(chuàng)治療精準(zhǔn)定位的目的，既可以作為一種簡(jiǎn)單方法直接應(yīng)用，也可為其他微創(chuàng)技術(shù)提供參考，在CT引導(dǎo)下精準(zhǔn)定位中發(fā)揮相應(yīng)的作用。