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目的:(1)创建多模态影像融合导航实时引导的粒子植入系统;(2)验证多模态影像融合导航粒子植入系统穿刺的精准性;(3)研究多模态影像融合导航在实时引导粒子植入中的有效性及可行性。材料与方法:1.多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统的建立该系统主要包括硬件及软件两个部分。硬件主要包括NDI(Northern Digital Technologies Inc,NDI)磁定位导航系统、磁定位穿刺针、电脑显示器及其支架、超声仪器;软件主要包括计算放射性粒子剂量的程序算法、感兴趣区提取、勾画和分割程序算法、三维重建程序算法、实时显像程序算法以及导航系统的界面显示。将上述硬件部分及软件部分集成、融合,建立一种集软硬件系统的导航方法、可以实现术中实时导航的影像引导方式。2.多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统穿刺的精准性验证2.1仪器、设备与器具:多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统,常规18G 穿刺(Percutaneous Transhepatic Cholangiography,PTC)针,计算机断层扫描仪(Computed Tomography,CT)。2.2材料:自主研发制作的琼脂体模,内置5-10枚陶瓷珠做为穿刺靶点。2.3方法及操作步骤:(1)电子计算机断层扫描仪(CT)对琼脂体模进行薄层扫描并获取原始影像数据;(2)将原始影像数据导入多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统,系统通过内置算法进行三维重建,并将超声影像及CT影像融合、配准;(3)实验组:在多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统的引导下,利用磁定位穿刺针对琼脂体模靶点进行穿刺;完成穿刺后,保持穿刺针位置固定,再次对琼脂体模进行CT薄层扫描并获取原始影像数据;将原始数据导入多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统并行三维重建,在三维空间上测量穿刺针针尖与琼脂体模穿刺靶点中心的距离,得到穿刺误差值,并记录;(4)对照组:在常规彩色超声仪引导下,利用常规18 G PTC穿刺针琼脂体模靶点进行穿刺,余同实验组。(5)实验组与对照组各进行20组实验,对比二者的穿刺精准性。2.4统计方法:统计软件采用SPSS 23.0。计算实验组穿刺误差的标准差;两组穿刺误差的比较采用配对t检验。3.多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统在粒子植入中的有效性及可行性研究3.1仪器与设备:多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统,常规18G穿刺针(Percutaneous Transhepatic Cholangiography,PTC),计算机断层扫描仪(Computed Tomography,CT).3.2材料:自主研发制作的琼脂体模,内置3枚树脂球做为粒子植入的靶病灶,直径分别为2cm、3cm及4cm。3.3方法及操作步骤:(1)电子计算机断层扫描仪(CT)对琼脂体模进行薄层扫描并获取原始影像数据;(2)术前规划:将原始影像数据导入放射性粒子植入治疗计划系统(Treatment Planning System,TPS),对琼脂体模内靶病灶进行勾画、分割及粒子植入规划;(3)将粒子植入规划结果导入多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统,系统通过内置算法进行三维重建,并将超声影像及CT影像融合、配准;(4)术中引导:实验组采用多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统的引导,利用磁定位穿刺针对琼脂体模靶病灶行粒子植入;对照组采用二维超声引导,利用常规18 G PTC穿刺针琼脂体模靶病灶行粒子植入。实验组与对照组各进行20组。(5)术后验证:完成粒子植入后,再次对琼脂体模进行CT薄层扫描并获取原始影像数据;利用TPS系统,将靶病灶、粒子在靶病灶内的实际空间位置以及剂量场进行三维空间显示,进行粒子的空间分布以及剂量场分布的验证;3.4评价指标:(1)观察两组实验中粒子在靶病灶内分布的空间位置及均匀程度;(2)对比两组实验中粒子植入术前规划的D90,D100及V100与粒子植入术后验证的D90,D100及V100的差值,即AD90,AD100及△V100。3.5统计方法:统计软件采用SPSS 23.0。两组实验数据的比较采用配对t检验。结果:1.多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统引导下穿刺误差值为0.912±0.27mm,明显小于常规二维超声引导下穿刺误差值(2.124±0.41mm),两者差异具有显著的统计学意义(p<0.01)。2.多模态影像融合导航在实时引导粒子植入中的有效性及可行性研究(1)多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统引导下琼脂体模靶病灶内粒子分布更加均匀、更加接近术前规划。(2)在不同大小的靶病灶中,多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统引导下琼脂体模靶病灶放射性粒子植入前后AD90,AD100及△V100值均明显小于常规二维超声引导的对照组。(2.1)对于靶病灶直径为2cm亚组,多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统引导组AD90,AD100及△V100 分别为 2.70±0.88,2.07±0.74,1.93±0.44;常规二维超声引导组AD90,AD100及△V100分别为7.00±0.92,6.76±0.80,8.50±0.89,两组差值具有统计学差异(p<0.01,0.01,0.01)。(2.2)对于靶病灶直径为3cm亚组,多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统引导组AD90,AD100 及AV100 分别为 4.50±0.70,3.53±0.87,2.03±0.44;常规二维超声引导组AD90,AD100 及△V100 分别为 15.08±1.90,11.37±1.29,11.95±1.58,两组差值具有统计学差异(p<0.01,0.01,0.01)。(2.3)对于靶病灶直径4cm亚组,多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统引导组△D90,△D100及△V100分别为 6.24±0.63,3.53±0.87,2.18±0.53;常规二维超声引导组△D90,AD100 及△V100 分别为 14.73±2.06,14.85±1.54,14.14±1.47,两组差值具有统计学差异(p<0.01,0.01,0.01)。结论:1.自主研发的琼脂体模背景均匀干净、清晰度高,与靶病灶对比度强,超声影像及CT影像下病灶均可清晰显示,并且穿刺依从性较好。2.多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统穿刺精准度高,满足穿刺需求。3.在本研究中建立的多模态影像融合导航实时引导粒子植入系统引导下可实现放射性粒子的精准植入,其植入的粒子的空间分布和剂量场分布与术前规划粒子的空间分布和剂量场分布误差小,其精准度显著高于常规二维超声引导下;在病灶直径为2cm、3cm及4cm水平上,该导航系统均存在此优势。