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编号:10268799
计算机行CT断层三维成像在喉癌下咽癌中的应用
http://www.100md.com 《中华耳鼻咽喉头颈外科杂志》 2000年第1期
     作者:张继东 郭志祥 郭睿 刘华凤

    单位:张继东(北京 空军总医院耳鼻咽喉-头颈外科 100036);郭志祥(北京 空军总医院耳鼻咽喉-头颈外科 100036);郭睿(北京 空军总医院耳鼻咽喉-头颈外科 100036);刘华凤(北京 空军总医院耳鼻咽喉-头颈外科 100036)

    关键词:喉肿瘤;下咽肿瘤;图像处理;计算机辅助;三维重建

    中华耳鼻咽喉科杂志000114 摘 要:目的 探讨用个人电脑对(CT)断层图像三维重建的方法。方法 扫描仪将连续断层图像输入计算机,用IDL 5.2可视化语言编写的“医学断层片立体成像系统”进行三维成像。对喉癌23例,下咽癌3例的喉部CT断层进行三维成像观查。结果 成像有以下几个特点: ①扫描时采用256级灰度,使用自动亮部和暗部均衡设置。可以较准确地反映CT片的细节。扫描后可以对图像进行二维图像均衡化、增强。滤波和假色彩表灰度赋值并以基准定标方法或图-图定标方法对各层图像定位。②实体重建:利用特征查询法,重构中间层的结构和灰度变化,实体重建后可以从不同的侧面观察,任意切取一部分或剥除一部分来观察内部,内部的图像显示依然有丰富的灰度变化。③肿瘤标识:根据每一层CT片上肿物的侵蚀范围,标识出肿瘤的大小,重建后可以观察肿瘤的整体形态。④可选灰度值显示、半透明显示、旋转和自由切取。⑤模拟内窥镜:观察喉腔内的形态。⑥测量。结论 在个人电脑上实现三维重建,不需添加任何图像加速装置,便于普及。临床医师容易掌握,对术前明确肿瘤范围,正确选择手术术式和预想手术进程有一定帮助。
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    The clinical application of stereography in laryngology with “the three-dimensional reconstruction system of medical faultage photograph”

    ZHANG Jidong

    (The General Hospital of Air Force, Beijing 100036,China)

    GUO Zhixiang

    (The General Hospital of Air Force, Beijing 100036,China)

    GUO Rui

    (The General Hospital of Air Force, Beijing 100036,China)
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    Abstract:Objective To study the value of the clinical application of stereography in laryngology. Methods Taken by Microtek E6 scanner, the CT faultage images were inputted in personal computer and reconstructed to a three-dimensional stereograph by “the three-dimensional reconstruction system of medical faultage photograph”. The software was compiled using IDL5.2, a complete, integrated software environment for data analysis, visualization and application. Results The three-dimensional laryngeal graph could be incised in random, displayed in optional degree, and was rotatable,semitransparent and measurable. The tumor could identified be identified by a special color and revealed through translucent parenchyma and cartilage. Reconstruction stereographs of laryngeal and hypopharyngeal cancer of 26 patients were investigated. Conclusion It is convenient for popularization because the three-reconstruction process is built on a personal computer without the need of any equipment for image acceleration. It is very helpful for ENT surgeon to define the range of the tumor, to fix on surgical pattern accurately and to anticipate the operational course.
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    Key words:Laryngeal neoplasms;Hypopharyngeal neoplasms;Image processing, computer-assisted;Three-dimensional reconstruction▲

    CT以及螺旋CT在喉科的应用,使临床医师受益匪浅[1]。但昂贵的工作站以及三维重建设备并非所有的CT机都配备,限制了三维图像在临床的应用。本研究旨在探讨采用已得到普及的个人电脑,利用CT连续的二维图像进行三维重建,以期对临床手术提供参考或帮助。

    材料与方法

    一、资料来源

    病例选自1996~1998年住院患者的CT图像(层厚3~4 cm,层距2 mm)。喉癌23例,下咽癌3例。男22例,女4例,年龄29~69岁,平均59.3岁。按UICC 1987年标准分期,声门癌9例,其中T2 N0 4例,T3 N03例,T3 N11例,T4 N01例。声门上癌14例,其中T1 N01例,T2 N0 6例,T2 N11例,T3 N02例,T3 N11例,T3N21例,T4 N01例,T4N21例。下咽癌3例,其中T3 N0 、T4N1和T4N2各1例。
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    二、立体重建方法

    1. 以MicrotekTM的Scanmaker E6扫描仪对CT片扫描,片隔2 mm(根据CT断层的实际片距),将图像以256灰度输入计算机,以TIFF格式存储。

    2. 以基准定标方法或图-图定标方法对各层图像定位。

    3. 去除图像中的杂点,特别设定组织周围以及喉腔内部空间灰度值为0。

    4. 用Research Systems Inc公司(美国)的IDL 5.2可视化语言编写的“医学断层片立体成像系统”进行三维成像。

    5. 运行主机为Pentium MMX 166兼容机,2.5 G硬盘,32 M内存。运行环境为Windows 95。

, 百拇医药     6. 由于图像存储量大,全部图像及立体重建文件都用Ricoh MP 6200A光盘刻录机存储于可擦写光盘片上。

    结果

    一、重建后图像显示效果

    1. 对二维图像信息拾取及处理:扫描时采用256级灰度扫描,使用自动亮部和暗部均衡设置,基本可以较准确地反映CT片的细节,扫描后在“医学断层片立体成像系统内”可以对图像进行:①2%线性拉伸、直方图均衡化,使图像的影像增强;②高通滤波、低通滤波、sobal滤波增强图像边缘;③用假色彩表对图像赋灰度值。

    2. 三维重建:①实体重建:对三维图像的重建为实体,利用特征查询法,重构中间层的结构和灰度变化,实体重建后可以从不同的侧面观察,任意切取一部分或剥除一部分来观察内部,内部的图像显示依然有丰富的灰度变化。②肿瘤标识:根据每一层CT片上肿物的浸润范围,标识出肿瘤的大小,重建后可以观察肿瘤的整体形态。
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    3.特殊显示:①可选灰度显示:可以只显示某一段灰度值,适用于有增强的CT片,显示静脉、颈椎骨、肿瘤。②半透明显示:对主体为不透明显示,如果要详细观察主体特征或显示主体全貌时,可以对非主体组织进行半透明处理,半透明度由1~20可选,越大则透明度越高,直至完全显示主体。③旋转:可以任意旋转,或依据X、Y、Z的某一轴旋转。④切取:可以沿水平、矢状、冠状面进行切削,观察内部情况。

    4.模拟内窥镜:观察喉腔内的形态,可以给定光源和视器,显示视器指定的内腔表面。

    5.测量:可以对所选主体以及主体与周围组织间进行体积和横截面积、长度的测量。

    二、关于对肿瘤的显示

    1. 重建后通过模拟内窥镜显示可以观察到肿瘤的部位,从上向下看与纤维喉镜的观察角度相同;从下向上看清楚地显示肿瘤的下界,能弥补因肿瘤过大无法确定肿瘤底部侵犯范围的缺点(图1,2)。
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    图1左侧下咽癌模拟内窥镜从下向上观察,可以看

    到菜花样肿物位于声门上,侵及左侧声带和室带

    图2与图1同一患者,模拟内窥镜旋转角度后从下向

    上观察,可以看到菜花样肿物位于声门上,右侧声带和室带未受侵及

    2. 通过半透明显示,可以显示肿瘤的全貌,以及被周围组织遮盖的部分(图3,4)。

    图3前联合癌从下向上看,显示肿瘤全貌,被遮盖部分与可显露部分清晰可辨
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    图4前联合癌从上向下看,显示肿瘤全貌,被遮盖部分与可显露部分清晰可辨

    3. 水平位断层片重建后按冠状位逐层切削,可以从另一角度了解肿瘤的侵犯范围(图5,6)。

    图5前联合癌用水平CT片重建后,冠状位显示肿瘤的范围

    图6左侧下咽癌用水平CT片重建后,冠状位显示肿瘤

    的范围,见下咽腔内肿瘤呈菜花样生长外观。上部突出于甲状软骨

    4. 孤立地显示肿瘤整体全貌,了解肿瘤的生长方式(图7)。
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    图7 团块样生长的肿瘤的独立外观

    5. 显示肿瘤与周围组织的关系,对确定肿瘤的范围有一直观的概念(图8)。

    图8下咽癌对软组织半透明处理,从下向上看,显示肿瘤

    上观与周围组织的关系,甲状软骨和杓状软骨作为肿瘤定位的参考

    讨论

    螺旋CT在喉科的应用[2]固然对喉和下咽癌的临床有很大的价值,用30 s即完成扫描,而且清晰度高、易于三维重建[2]。但螺旋CT并不普及,且图像由放射科医师分析,放射科医师习惯于用断层图像描述病变和进行诊断,三维重建的图像对于准确诊断不如断层图像,断层图像可以比较精确地显示肿瘤的侵犯范围。如果临床医师不特别强调要求三维重建图像,放射科一般不出三维重建图像片。即使进行三维重建,往往与临床医师的要求也有较大的差别,而且进行三维重建本身收费较高,患者负担较重。从另一个角度讲,临床医师又非常希望把断层图像重建成具有整体感的三维图像,能够比较容易理解肿瘤周围解剖、肿瘤侵犯范围,对选择手术术式和预想手术进程有较大帮助。但是带三维重建软件的CT主要目的是显示肿瘤边界,在显示肿瘤整体与周围解剖关系的立体形态方面则比较薄弱。在喉科方面,目前主要应用于喉模拟内窥镜,其属于喉腔内的表面重建,对于深层肿瘤的显示还停留在不同角度的平片上。因此,开发一种适用于临床手术前诊断,临床医师容易掌握,成本较低、易于推广的三维重建软件是必要的。
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    过去对断层图像进行三维重建都是通过工作站一类比较高级计算机实现的,随着PC机的CPU速度不断加快,内存容量加大,使这一复杂的程序可以在PC机上实现。我们选择了IDL编程语言,提高了开发速度和软件运行速度。因为IDL的内核虽然也是C语言,但是已经模块化了。通常编程都用C语言[3],而C语言数百句的表达式,IDL只用几句话即可完成,因此大大提高了软件的运行速度。过去三维重建不可能在微机上实现的关键困难就是运行速度慢。现在硬件的加速和软件的进步使我们开发这个软件有了可能。关于三维重建的改进,既往大多勾画物体的轮廓进行表面重建,人为误差大,工作费时,重建后往往看到的只是一些“管道”,这样的重建适用于制造示意性模型。指导手术应采用实体重建。实体重建虽然比较复杂和困难,但是重建后,不同角度的旋转,不同层面的切削,加上可选灰度显示和半透明显示对临床上确定肿瘤范围、选择术式有较大帮助。

    目前较大医院都有螺旋CT,耳鼻咽喉科医师应与放射科医生密切合作,有助于提高诊断水平。另一方面,本软件的目的是手术前给临床医师对肿瘤和周围组织关系一个立体概念,临床医师可自己操纵,是对螺旋CT的补遗。目前图像录入采用扫描仪,以后发展为在医院的局域网上直接获取图像,可减少图像转换的数据丢失。虽然PC机远不如工作站的速度快、精度高,但其投入少,临床效果相同,值得推广。
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    三维重建后模拟内窥镜是现在对螺旋CT在上呼吸道应用的热点之一[4]。本实验的模拟内窥镜以及旋转后从声门下向上观察的功能,与螺旋CT的相同功能相似。对于较大下咽癌或声门上癌,肿物遮挡声门,不易判断是否声带受侵犯时,其应用价值更显重要。

    螺旋CT与常规CT比较,其比较大的优势在于图像清晰和易于三维重建[5],螺旋CT的三维重建图像与断层片比较还是比较粗略的,所以放射科医师习惯于用断层片出报告。临床医师如结合断层片与用本软件重构的三维构像,会能更好地理解肿瘤的情况。

    虽然本软件的运行速度还算比较快,但三维重建的数据量毕竟太大,片子层数较多时,图像显示速度明显下降。如果用Pentium Ⅲ,并增加内存和显存,处理速度和显示效果更快更理想。

    从结果中看,重建后不但可以从各个角度旋转观察、切削后观察内部情况,且可透过周围组织观察肿瘤,或孤立显示肿瘤主体。为临床医师提供了形象化的立体概念,为准确判断肿瘤侵犯范围和正确选择术式有较大帮助。
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    本软件不但能对CT片进行立体重建,软件本身是一种基本方法的建立,对连续的断层图像都可以进行重建, 如MRI、病理切片、正电子发射断层显影等。而且用术后病理切片重建后可以和术前CT、MRI的重建进行比较,矫正CT片因喉部肿瘤与软组织缺少脂肪层造成界限模糊的误差,对总结临床经验,准确判读CT片有较大帮助。

    基金项目:中国人民解放军总后科研基金(96D059)

    参考文献:

    [1]曲春燕,刘永祥.螺旋CT三维重建技术在喉科的应用(综述).国外医学耳鼻咽喉科分册,1997,5:284-286.

    [2]Silverman PM,Zeiberg AS, Sessions RB. Three-dimensional imaging of the hypopharynx and larynx by means of helical (spiral) computed tomography: comparison of radiological and otolaryngological evaluation. Ann Otol Rhinol Laryngol,1995,104: 425-431.
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    [3]章明,韩永坚,汪国昭.人喉的计算机三维重建及显示.解剖学杂志,1997,22:205-207.

    [4]Rodenwaldt J, Kopka L,Roedel R. Three-dimensional surface imaging of the larynx and trachea by spiral CT: virtual endoscopy. Rofo Fortschr Geb Rontgenstr Neuen Bildgeb Verfahr,1996,165: 80-83.

    [5]Kawana S, Nakabayashi K, Kawashima F. Difficult intubation assisted by three-dimensional computed tomography imaging of the pharynx and the larynx. Anesthesiology,1995,83: 416-419.

    收稿日期:1999-06-10, 百拇医药