Способ моделирования оперативного вмешательства на внутренних органах

 

Изобретение может быть использовано в медицине, а именно в онкологии. Проводят рентгеновскую спиральную компьютерную томографию. Визуально выявляют патологический очаг на экране монитора компьютера по плотности изображения. Строят по плотности трехмерные реконструкции внутренних органов различных объемов. Проводят виртуальное оперативное вмешательство путем удаления на экране новообразования и оценки оставшейся части органа. Компьютерную томографию проводят на пике насыщения контрастным неионным веществом воротной вены или печеночной артерии или при однократном введении контрастного вещества в два этапа - на пике насыщения печеночной артерии контрастным веществом и на пике насыщения воротной вены контрастным веществом. Способ позволяет повысить информативность моделирования. 3 з.п.ф-лы, 10 ил.

Настоящее изобретение относится к области медицины и может использоваться при моделировании операционного вмешательства на внутренних органах на стадии дооперационной диагностической оценки степени поражения паренхимы внутренних органов путем пространственного восприятия патологического процесса или анатомических структур, позволяющем дифференцировать признаки и детали, которые дают возможность составить и проверить хирургу предоперационную концепцию не только в отношении характера патологических изменений, но и в отношении способа, объема и наиболее вероятных опасностей предстоящей операции.

Предшествующий уровень техники Метод спиральной компьютерной томографии (СКТ) основан на методике объемного сканирования. При постоянном вращении рентгеновской трубки вокруг оси и поступательном движении стола с пациентом вдоль оси происходит сложение этих двух составляющих, которое пространственно можно представить в виде спирали. При этом расстояние между двумя точками, равноудаленными от оси этой спирали, представляет собой толщину среза, которая потом будет использоваться для цифровой обработки изображения. Этот метод обладает высокой разрешающей способностью. СКТ позволяет диагностировать многие виды органических поражений. Уменьшение плотности тканей возможно при отеке, инфаркте, демиелинизации, формировании кист или абсцесса. Повышение плотности характерно для свежего кровоизлияния и обызвествленных поражений (таких как краниофарингиома). Внутривенное введение йодсодержащих контрастных веществ позволяет визуализировать мозговые сосуды, сосудистые мальформации, опухоли, а также зоны нарушения гематоэнцефалического барьера.

Известны способы диагностики поражения паренхимы внутренних органов с помощью визуализации их при эмиссионной компьютерной томографии путем расчета на ЭВМ воссоздания аксиальной томограммы. Точность этого метода обусловлена чувствительностью компьютерной томографии (КТ) к вариациям плотности при различных поражениях внутренних органов. Дополнительное внутривенное введение контрастного материала помогает дифференцировать структуры одинаковой плотности и характеризовать сосудистую систему. С помощью КТ структуры внутренних органов выявляются более четко. Ни ожирение, ни наличие газа в кишечнике не мешают выявлению объемных поражений (например, метастазы); поджелудочная железа также хорошо идентифицируется при подозрении на внепеченочную причину непроходимости. КТ дает возможность обнаружить жировую инфильтрацию печени и увеличенную плотность печеночной паренхимы, связанную с перегрузкой желез /см. Мерк, Шарп и Доум "Руководство по медицине", Москва, изд. Мир, 1997 г., том 1: диагностика и терапия, стр.592, 945/.

Известны применение динамической КТ в диагностике различных заболеваний органов брюшного пространства, забрюшного пространства и малого таза, выбор тактики лечения и оценка результатов хирургического лечения на основе двухмерного изображения /см. Тодуа Ф.И., Федоров В.Д., Кузин М.И. "Компьютерная томография органов брюшной полости" (Атлас), М., Медицина, 1991 г., 448 с./.

Известен способ диагностики опухоли почек путем проведения эмиссионной компьютерной томографии с последующим выявлением очага и его локализации. При обнаружении очага определяют степень нарушения функциональной способности паренхимы пораженной почки вокруг объемного образования. При этом проводят подсчет общего количества объемных элементов и их суммарный счет в срезах изображения пораженной и контратеральной почек. Эмиссионную КТ проводят в шаговом режиме с полным оборотом детектора (шаг поворота 6-12^o, время экспозиции 20-30 с на одной позиции детектора).

Реконструированное изображение представляет собой серию горизонтальных (сагиттальных) срезов органа. Определяют наличие инвазивного роста опухоли путем оценки степени разрушения функциональной способности паренхимы пораженной почки вокруг объемного образования. Показатель соотношения удельной активности пораженной и контратеральной почек вычисляют по математической формуле. В соответствии с диагнозом выбирают тактику дооперационной подготовки пациента и тактику проведения операции /RU 2085119 С1, 27.07.97 год публикации/.

Недостатком данного способа является недостаточная точность пространственного восприятия врачами патологического процесса, оценки его распространенности и взаимосвязи с окружающими тканями и сосудами, что не позволяет избежать ошибки интерпретации данных исследования.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является способ спиральной компьютерной томографии (СКТ), при которой происходит регистрация и накопление объемных данных о поглощающей способности тканей во всем объеме части тела пациента. СКТ позволяет построить трехмерную реконструкцию органа по серии поперечных срезов /ЕР 0671147/.

Недостатками данного способа диагностики являются неполная характеристика контрастирования патологического образования, малая эффективность оценки взаимоотношения новообразования и сосудов.

В связи с этим существует проблема более точного способа диагностирования патологического процесса внутренних органов (особенно при оценке сосудистой сети органа) для планирования тактики и определения объема оперативного вмешательства.

Сущность изобретения Настоящее изобретение направлено на создание возможности выработки тактики хирургического вмешательства на этапе диагностической оценки поражения паренхимы внутренних органов путем проведения виртуальной хирургической операции на построенной трехмерной реконструкции внутренних органов различных объемов без пропуска изображений на мониторе рабочей станции. Пространственное визуальное восприятие патологического процесса и взаимосвязанность его с окружающими тканями и сосудами позволяют, в соответствии с особенностями распространения очага, произвести выбор адекватной тактики при помощи специальных компьютерных программ и соблюдении определенных условий проведения спиральной компьютерной томографии - СКТ-исследования.

Как известно, СКТ-диагностика основана на получении изображения поперечного сечения за счет измерения степени ослабления рентгеновских лучей тканями различной плотности.

Для получения трехмерной реконструкции (3D) интересующего объекта или органа важно получение четких аксиальных срезов изображения, которое зависит от градиента плотности изображения на фоне окружающих тканей. Так, за счет естественной разницы плотности хорошо визуализируются дополнительные мягкотканые образования на фоне неизменной легочной ткани, а также скелет на фоне мягких тканей.

Для получения изображения органов брюшной полости (желудочно-кишечный тракт) и забрюшинного пространства (мочеполовая система), где разность в плотности органов и образований на их фоне незначительна, пациенту вводят соответствующее для интересующей зоны контрастное вещество, позволяющее увеличить градиент плотности и, соответственно, четкость изображения. Объем контрастного вещества зависит от веса пациента. При расчете 1 мл вещества на 1 кг веса тела пациенту вводят неионные контрастные вещества, такие как, например, Ультравист-300, Омнипак-300, Визинак-240.

Для лучшего качества 3D-реконструкции сканируют зону срезами 8-10 мм, что уменьшает долю облучения и риск для организма при облучении СКТ при более тонких срезах.

Однократное сканирование проводится при единоразовом введении контрастного препарата с оптимальной скоростью введения 2-4 мл/сек при задержке времени сканирования от начала введения препарата 45 сек, т.е. с получением пика насыщения неионным контрастным веществом воротной вены. При этом достигается хорошая визуализация сосудистой системы, особенно ветвлений сосудов. Однако время задержки от начала введения контрастного вещества зависит от пика насыщения зоны интереса и может быть изменено в соответствии с поставленной задачей.

Построение и визуализация контрастированных артерий и вен позволяют осуществить изолированно 3D-реконструкции внутренних органов. При этом эффективность построения в различных фазах контрастирования зависит от скорости, количества и времени накопления контрастного вещества. Кости и легкие лучше строить без введения контрастного вещества, так как естественный градиент плотности позволяет выявить дефекты структуры и новообразования.

Для построения объемного изображения используется компьютерной томограф третьего поколения фирмы "Philips Tomasсan SR 7000" с компьютерной программой автоматического режима 3D-реконструкции на рабочей станции Easy Vision. Она основана на построении отдельных объемных изображений интересуемой плотности, а затем последовательном совмещении их друг с другом или соответствующим поперечным срезом. Для этих целей используются такие программы, как 9896 010 13263 326.08.95 View Softw. R 2.1; 9896 010 13273 327.080.95 Print Softw. R 2.1; 9896 010 13383 338.078.95 GCOM 1/F SW R 2.1; 9896 010 134003 340.076.95 MPR Softw. R 2.1; 9896 010 13941 394.058.96 Angio Softw. R 2.1 и другие. Они могут использоваться как отдельно, так и несколько программ одновременно в зависимости от цели проводимых исследований.

Работа хирурга с программами заключается в следующем.

Выбирается область исследования, которая будет использована для построения. Затем поперечные изображения последовательно вызываются на экран компьютера, из этих изображений выбирается то, на котором зона интереса имеет самые четкие очертания и детально выявляется. По этим изображениям подбирают уровень используемой плотности. Каждому значению плотности на срезе закрепляют соответствующий цвет. Эти данные вводят в память компьютера, после чего начинают само построение.

"Ангио-программа" или программа реконструкции "высоких плотностей" позволяет построить пространственное изображение костей, образования в легких, внутреннюю поверхность органа, используя естественный градиент плотности. Эту программу удобно использовать для построения сосудов.

При необходимости программы можно совместить, что позволит получить изображения гипер- или гиподенсных образований в соотношении с сосудами; ширину аневризматического мешка, просвет аорты в тромбированных аневризмах; толщину стенки и просвет желудка или кишки при их опухолевом поражении.

Программное обеспечение рабочей станции Easy Vision позволяет реконструировать изображения по очень низкой плотности - воздуху. Заполнив полый орган воздухом, подбирают шкалу плотности, которая позволит вычленить из сканов только участки, содержащие воздух (желудок, кишка, желчные протоки при хорошо выраженной аэрохолии).

Помимо перечисленных программ используется программа совмещения полученных изображений. Она позволяет путем наложения друг на друга и подбора цветовой гаммы, яркости, фона и контрастности совмещать как аксиальные срезы с 3D-реконcтрукцией, так и 3D-реконструкции между собой. Таким образом, совместив поперечный скан с 3D-реконструкцией, например сечение печени с метастазами и реконструкцию метастазов, сосудов, и подобрав необходимый фон и яркость, получают объемное изображение, как бы просвечивающее сквозь поперечный срез. При этом хорошо видно совмещение зон интереса.

При совмещении двух 3D-изображений, например костей и мягких тканей, можно получить поверхностную реконструкцию тела. Подобрав необходимые параметры цвета, фона и яркости, можно увидеть просвечивающие кости скелета сквозь наружные слои мягких тканей. Эта же программа позволяет выделить 3D-реконструкции, частично убирая совмещенные с ними сканы, либо другую 3D-реконструкцию. При этом получают отдельные части объемного изображения зоны интереса, совмещенные с поперечным сканом.

На таких реконструкциях видно, как сосуды на поперечных сканах продолжаются в свои объемные изображения или как часть скелета с зоной интереса "освобождаются" от мягких тканей. Специальным значком (например, крестиком) на каждом срезе выделяют поверхность интересующего хирурга органа, например печени. Компьютер изолирует изображение данного органа от других и реконструирует его, переходя от среза к срезу с помощью автоматического обсчета полученных данных. В результате получают объемное изображение печени.

С полученным на мониторе объемным изображением можно производить различные манипуляции: поворачивать в различных плоскостях, увеличивать или уменьшать изображение, делать срезы или выделить отдельные участки. Это позволяет увидеть внутреннюю структуру паренхиматозного органа и выделить на необходимой глубине внутриорганные образования.

Таким образом, клиницист-хирург, визуально наблюдая отдельные органы, сосуды, патологические очаги, анатомические блоки или части тела, имеет возможность моделировать оперативное вмешательство на органах брюшной полости и забрюшинного пространства путем иссечения на экране патологического очага, визуально оценить и предвидеть наиболее вероятные опасности предстоящей операции.

Примеры конкретного выполнения Пример 1. Пациенту К. внутривенно вводят контрастный препарат Ультравист-300 в количестве 100 мл. Скорость введения 3 мл/сек, время задержки 45 сек. Затем пациента укладывают на спину на стол томографа (Tomoscan SR 7000 фирмы Philips). Скорость движения стола 10 мм/сек, индекс реконструкции 8 мм. На мониторе компьютера в проекции 2-3 сегментов выявилось гиперденсное образование округлой формы. Клиницист-хирург визуально определяет, что к образованию подходит сегментарная ветвь левой воротной вены.

Одновременно законтрастировалась левая ветвь печеночной вены, что говорит о произошедшем сбросе крови из воротной вены в печеночную вену, что является характерным диагностическим признаком фибромодулярной гиперплазии. По полученным данным выполнили 3D-реконструкцию.

Выбирают скан с наиболее четким и детальным выявлением зоны интереса: образование и сосуды, подходящие к нему. По этому скану подбирают порог плотности, в котором наиболее ярко видны сосуды (Threshold 110-140 ед. Н). Затем задают цветовую шкалу соответственно порогу плотности, выделяя необходимые структуры в цвете. После этого начинают само построение, используя естественный градиент плотности с помощью программы "высоких плотностей". Построение ведут отдельно: системы воротной вены и нижней полой вены. При переходе от скана к скану окрашивание происходит автоматически.

При реконструкции самой печени используют программу "срез за срезом", которая позволяет построить изолированно любой паренхиматозный орган или его часть. После этого на мониторе крестиком выделяется поверхность печени по контуру. При этом вся внутрипеченочная сосудистая сеть остается внутри выделенного контура. Затем проводят автоматический компьютерный обсчет полученных данных, в результате чего на мониторе получают объемное изображение печени.

Хирург, в зависимости от стадии болезни, расположения и взаимосвязи с кровеносными сосудами образования, виртуально на мониторе компьютера проводит шаг за шагом операцию, производя манипуляции с полученными изображениями, отбирая необходимые изображения, располагая их в соответствующем порядке и положении, производит вычитание (резекцию) отдельных фрагментов. Анализирует анатомические последствия на воспроизведенном визуальном теле пациента (ложе опухоли, культя органа, сохранность магистральных сосудов и т.д.). Таким образом, определяется план предполагаемого оперативного вмешательства на основании документированных конкретных изображений процесса моделирования хирургической деятельности на основе спиральной компьютерной томографии.

Пример 2. Пациентка М. с жалобами на нарушение функции внутренних половых органов после длительного пользования контрацептивными препаратами поступила в Институт хирургии им. А. В. Вишневского РАМН. При нативной КТ брюшной полости паренхима печени имела гомогенную структуру (фиг.1) Выявить наличие образования не представилось возможности.

Была составлена программа для СКТ+КАГ для 3D-реконструкции с последующей виртуальной операцией. При выполнении исследования по данной программе выявилось в проекции 2-3 сегментов гомогенно гиперденсное образование округлой формы с четкими контурами, но без выраженной капсулы (фиг.1б). Визуально определилось, что к образованию подходит сегментарная (2-й сегмент) веточка левой ветви воротной вены. Выявлена очаговая фибронодулярная гиперплазия печени, которая по существу является доброкачественной печеночно-клеточной опухолью, способной перерождаться в соответствующий рак. Поэтому подлежит оперативному удалению с предусмотрением органосберегающим вариантом вмешательства (околоопухолевой резекцией, сегментэктомией). Поэтому произвели трехмерную реконструкцию в следующем порядке: печень, патологический очаг, сосуды (воротная система, система печеночных вен).

Первым этапом виртуальной хирургической операции, также как и реальной, является "интраоперационная ревизия" - визуальный осмотр области интереса с разных сторон. Виртуально мы имеем возможность доступа к тем или иным зонам, к которым невозможен или затруднен доступ во время оперативного вмешательства. На фиг. 2 представлено полученное изображение печени с патологическим очагом и необходимыми сосудами (а - вид спереди, б - вид слева, в - вид снизу, г - вид сверху). При этом видно, что очаговое образование в проекции 2-3 сегментов выходит за границы органа, располагаясь частично интрапаренхиматозно, частично субкапсулярно, и деформирует контур печени. Видны внепеченочные отдельные части воротной вены и нижней полой вены.

Ключевым вопросом любых вмешательств на печени является знание соотношения патологического очага с внутриорганными сосудисто-секреторными стромальными элементами. Для этого делают печень "прозрачной" и изучают область интереса в тех же ракурсах (фиг.3а-г). Видно, как сосуды подходят к образованию. На поперечном срезе печени (фиг.4) видны само образование и ветви левой печеночной вены, охватывающие его. Видна также часть левой долевой бранши воротной вены, одна из сегментарных ветвей которой (2-й сегмент) подходит к образованию. На фиг.5 изображение печени удалено и на экране только образование и сосуды. Это изображение подтверждает, что расположенное во 2-м сегменте печени новообразование шунтирует кровь из воротной в печеночную вену; не обнаружены обстоятельства, требующие отказаться от органосберегающей операции.

Удалив изображение новообразования, по существу выполнили виртуальную околоопухолевую резекцию печени. Послеоперационная картина также изучается в нужных ракурсах (фиг.6а-г). При этом видно, что в ложе опухоли не выявляются культи или дефекты магистральных сосудов, что свидетельствует о высокой вероятности их сохранения при данном варианте операции. Однако видны небольшие участки паренхимы печени, окружавшие новообразование. Они внешне выглядят маложизнеспособными. Сделав печень "прозрачной" и рассмотрев оставшуюся паренхиму и сосуды с разных сторон (фиг.7а-г), установили, что оставшиеся участки имеют сомнительное кровоснабжение, в связи с чем их сохранять не целесообразно.

В ходе реальной операции указанный план полностью оправдался. На фиг.8 представлен вид маркированного перед удалением новообразования в операционном поле (а - сверху, б - снизу). На фиг.9 показаны этапы выполнения сегментэктомии, на которых в срезе паренхимы печени хорошо видны те сосуды, с которыми проводились манипуляции при виртуальной операции.

Удаленный сегмент печени с опухолью и ее вид на разрезе даны на фиг. 10б-в. При гистологическом исследовании подтвержден диагноз очаговой фибронодулярной гиперплазии печени. Кровопотеря в ходе операции не превысила 100 мл. Послеоперационный период протекал без осложнений.

В силу того, что изображение на экране монитора создается строго на основании конкретных данных определенного пациента для конкретного клинического случая, моделируя варианты предстоящего оперативного вмешательства, хирург получает возможность избрать наиболее приемлемое в конкретном случае решение, что помогает избежать возможных осложнений и последствий, что прямо и совершенно реально влияет на результаты хирургического лечения пациентов с заболеваниями органов брюшной полости и забрюшинного пространства.

Формула изобретения

1. Способ моделирования оперативного вмешательства на внутренних органах при опухолевых поражениях, включающий проведение рентгеновской спиральной компьютерной томографии, получение томографического изображения, визуальное выявление патологического очага и зоны его распространения на экране монитора компьютера по плотности изображения, после чего строят по плотности трехмерные реконструкции внутренних органов различных объемов для пространственного восприятия патологического процесса и взаимосвязи его с окружающими тканями и сосудами, с последующим проведением виртуального оперативного вмешательства путем удаления на экране новообразования и оценки оставшейся части органа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что компьютерную томографию проводят на пике насыщения контрастным неионным веществом воротной вены.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что компьютерную томографию проводят на пике насыщения контрастным неионным веществом печеночной артерии.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что компьютерную томографию проводят при однократном введении контрастного вещества в два этапа - на пике насыщения печеночной артерии контрастным веществом и на пике насыщения воротной вены контрастным веществом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10