CN113855230B

CN113855230B - 一种人体组织空腔建模装置及方法

Info

Publication number: CN113855230B
Application number: CN202111127155.8A
Authority: CN
Inventors: 沈九零; 陈敏; 邱惠; 王骁踊; 刘晖; 谢丛华; 张俊; 陈纪
Original assignee: Zhongnan Hospital of Wuhan University
Current assignee: Zhongnan Hospital of Wuhan University
Priority date: 2021-09-26
Filing date: 2021-09-26
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2041-09-26
Also published as: CN113855230A

Abstract

本发明公开了一种人体组织空腔建模装置及建模方法，包括填充棒、连接软气管、控制主机、气泵和电磁阀；填充棒包括顶部凹形气囊、环形气囊和多分道气管，多分道气管依次连通连接软气管和气泵，由控制主机控制所述电磁阀开启和关闭对填充棒各气囊进行独立充气。通过体外实验构建充气体积和气囊直径函数，测量患者阴道不同位置的宽度，基于直插针模型建模，确定各气囊最优充气体积，在体内完成充气后，患者带填充棒行CT扫描，根据气体和组织不同CT值，自动分割填充棒建模。本发明能够根据个体化阴道宽度 “完美填充”阴道和穹隆，克服传统穹隆填充不足，减少正常组织插针距离，提高插针的安全性、舒适性、剂量精度、减少痛苦和出血感染风险。

Description

一种人体组织空腔建模装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种人体组织空腔建模装置及方法。

背景技术

在人体解剖结构中存在很多复杂的组织空腔，如外耳道、鼻咽腔、口腔、女性生殖系统等。组织空腔的高精度建模对临床具有重要的应用价值，如手术路径规划、手术方案模拟、近距离放射治疗插针模体设计等。以近距离放射治疗为例，由于部分宫颈癌患者肿瘤残端位置和形状特异性，传统的剂量学系统，无法满足剂量分布要求。为实现个性化最优剂量学分布，现阶段有研究者利用3D打印技术制作插植模体，极大程度上改善了剂量分布。插植模体其制作过程最为重要的一步是对患者阴道的建模。现阶段的方法是预先在患者阴道内塞入填充物，如纱布、固定直径的圆柱形阴道筒等，然后行CT或MRI扫描，分割出填充物（纱布或圆柱筒）来构建模型，最后行3D打印。

有研究表明，现阶段基于纱布、圆柱等填充物，并没有考虑阴道组织内壁的弹性和体积，填充的体积和位置基于人为经验手工判断，容易出现5种问题：1）对阴道填充不足（纱布），对穹窿部位缺少填充（圆柱筒），致使模型与阴道和穹窿内壁之间存在组织间隙，将导致肿瘤欠量和影响剂量计算的准确性；2）由于部分宫颈癌患者肿瘤位置偏离宫颈口一侧且较远，宫颈和阴道填充不足，会导致插针经过的正常组织（如阴道内壁）增多，增加患者痛苦和出血感染风险；3）由于阴道毗邻膀胱和直肠，填充不足还会导致无法将膀胱和直肠撑开远离插针通道，增加插针插破膀胱和直肠的风险；4）填充过多，导致模型内大外小，由于阴道入口内壁弹性有限，在治疗实施时给患者造成不适；5）由于纱布等填充物，与软组织密度相当，在CT图像上难以与阴道内壁分辨，造成建模不准确，影响模型精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的不足，提供一种人体组织空腔建模装置及方法，能够根据阴道内壁的弹性来自适应填充气体的体积，能够与穹窿部分完美贴合，基于直插针模型，能减少穿过的正常组织距离，保证“完美填充”的同时，提高插植安全性、精度、减少痛苦和增加舒适性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种人体组织空腔建模装置，包括填充棒、连接软气管、控制主机、气泵和电磁阀；所述填充棒包括顶部凹形气囊、环形气囊和多分道气管，所述凹形气囊分布于填充棒顶端用来适应穹窿的形状；所述环形气囊分布于填充棒的中间和尾部，用来填充阴道，所述多分道气管依次连通连接软气管和气泵，由所述控制主机控制所述电磁阀开启和关闭对填充棒各气囊进行独立充气。

更进一步，所述多分道气管是一种圆柱形可弯曲管道，成“T”字形，中空分成多个独立的气道，中间有一空腔，各分气道的不同位置开气口，“T”的顶部气道给凹形气囊充放气，其他气道依次给后续的环形气囊充放气，气囊与气囊之间的充放气通过独立的多分道气管相互独立。

更进一步，所述凹形气囊和环形气囊连接处以及多个环形气囊连接处的的壁均为厚壁，凹形气囊的凹位置为薄壁，环形气囊的侧面均为薄壁，便于与穹窿和阴道内壁进行充气贴合，填充棒整个外壁全部由一层薄壁气囊包裹。

更进一步，所述气道接口处布置有多个独立的气体流量监测装置，监测每个气道内的充气气体体积。

更进一步，所述控制主机获取每个气囊的充气体积，并实时显示在主机的显示面板上。

本发明还提供一种人体组织空腔建模装置的建模方法，包括如下步骤：

S1.获取体外的每个气囊的气囊直径和充气体积之间的对应函数关系D=F(v)；

S2.患者在截石位阴道未填充情况下行MR扫描，在MR冠状面图像上定义肿瘤靶区需要放疗的横向最远点为P，测量P与阴道中线的之间横向距离Lx，P与阴道外口之间的纵向距离Ly，与宫颈口的纵向距离为Lc，测量穹隆、阴道中部和阴道入口处的宽度L1, L2, L3；

S3.构建最极端插针通道模型，根据所述步骤S2中测量的参数和肿瘤位置计算穹隆、阴道中部和阴道入口处气囊所需充气直径D1,D2,D3；

S4.根据步骤S1中体外得到的D=F(V)函数对应关系，通过上述步骤S3中计算得到的穹隆、阴道中部和阴道入口处气囊所需充气直径D1,D2,D3，计算相应气囊的所需要的充气量；

S5.根据步骤S4中计算得到的各气囊所需要的充气量对各气囊进行体内充气，充气结束后拔掉连接软气管；

S6.患者带充气的填充棒行CT扫描，根据气体和组织不同的CT值，设置分割阈值，分割填充棒进行建模。

更进一步，所述步骤S1中，充气体积和气囊直径函数中气囊直径为气囊最大直径。

更进一步，所述步骤S3中，气囊直径计算方法包括以下两种情况：

1）肿瘤位置Lx≤L1/2：

a)如果L1≤1.5L2，那么D1=L1, D2=L2, D3=L3;

b)如果L1>1.5L2，那么D1=1.5L2, D2=L2,D3=L3。

2）肿瘤位置Lx>L1/2:

a)如果L1≤1.5L2，那么D1=L1, D2=L2,

通过三角函数关系计算得到

a1）如果D3^，≤1.5L3，那么D3=D3^，;

a2 ) 如果D3^，＞1.5L3，那么D3=1.5L3;

b)如果L1>1.5L2，那么D1=1.5L2, D2=L2,

通过三角函数关系计算得到

b1）如果D3^，，≤1.5L3，那么D3=D3^，，;

b2 ) 如果D3^，，＞1.5L3，那么D3=1.5L3。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本方法对阴道和穹隆充分填充，克服传统圆柱筒以及纱布的填充不足，减少模具与阴道和穹窿内壁之间的组织间隙，增加肿瘤剂量计算的准确性；

2）由于部分宫颈癌患者肿瘤位置偏离宫颈口一侧且较远，传统宫颈和阴道填充不足，会导致插针经过的正常组织（如阴道内壁）增多，增加患者痛苦和出血感染风险，本方法根据肿瘤与穹隆相对位置关系，构建直插针模型，基于预先设计的极限插针通道来最优化构建模具，减少插针对患者造成的伤害和痛苦，减少出血和感染风险；

3）本方法可根据膀胱和直肠位置，选择性性撑开肿瘤靶区附近的直肠和膀胱，使其远离插针通道，降低插针插破膀胱和直肠的风险，降低直肠膀胱剂量，减少放射性膀胱炎和直肠炎的发生几率；

4）传统填充基于人为经验，极易填充过多导致模型偏大，由于阴道入口内壁弹性有限，在治疗实施时给患者造成不适，本方法通过预先测量患者个体化数据，保证顺利实施同时能够最大程度上减少患者痛苦；

5）由于传统纱布等填充物，与软组织密度相当，在CT图像上难以与阴道内壁分辨，造成建模不准确，影响模型精度，本方法通过空气气囊与人体组织密度差异，便于图像分割，增加模型的稳定性和精度。

附图说明

图1是本发明装置整体结构示意图；

图2是本发明填充棒结构示意图；

图3是本发明凹形气囊结构示意图；

图4是本发明环形气囊结构示意图；

图5是本发明多分道气管透视图；

图6是本发明最极端插针通道模型示意图；

图7是本发明建模方法的总流程图。

图中：1-填充棒，2-连接软气管，3-控制主机，4-凹形气囊，5-环形气囊，6-多分道气管，7-开气口，8-薄壁气囊，9-气道插拔接口，10-宫颈口，11-穹隆，12-肿瘤靶区，13-阴道中线，14-阴道入口。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。

为更好的理解本发明，下面的结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不限制本发明的范围。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了实现上述目的，如图1-5所示，本发明设计了一种含有特殊结构气囊的填充装置和阴道填充模体制作方法，包括填充棒1、连接软气管2、控制主机3、气泵和电磁阀。填充棒的气囊分为两种类型，一种是分布于填充棒顶端的凹形气囊4，用来适应宫颈口10和穹窿的形状；一种是环形气囊5，分布于填充棒的中间和尾部，用来填充阴道。填充棒的多分道气管6是一种圆柱形可弯曲管道，成“T”字形，中空分成多个独立的气道，中间有一个空腔，其他各分气道的不同位置开气口7。为保证填充棒的整体性，填充棒整个外壁全部由一层薄壁气囊8包裹。软管两端设计为简易的气道插拔接口9。其中本实施例中凹形气囊为气囊G1，环形气囊包含两个分别为G2和G3

如图6-7所示，本实施例提供的建模方法，分6个主要步骤：

S2.患者在截石位阴道未填充情况下行MR扫描，在MR冠状面图像上定义肿瘤靶区12需要放疗的横向最远点为P，测量P与阴道中线13的之间横向距离Lx，P与阴道外口之间的纵向距离Ly，与宫颈口10的纵向距离为Lc，测量穹隆11、阴道中部和阴道入口14处的宽度L1, L2, L3；

S3.构建最极端插针通道模型，根据所述步骤S2中测量的参数和肿瘤位置计算穹隆11、阴道中部和阴道入口14处气囊所需充气直径D1,D2,D3；

S4.根据步骤S1中体外得到的D=F(V)函数对应关系，通过上述步骤S3中计算得到的穹隆11、阴道中部和阴道入口14处气囊所需充气直径D1,D2,D3，计算相应气囊的所需要的充气量；

步骤S3中，气囊直径计算方法包括以下两种情况：

1）肿瘤位置Lx≤L1/2：

c)如果L1≤1.5L2，那么D1=L1, D2=L2, D3=L3;

d)如果L1>1.5L2，那么D1=1.5L2, D2=L2,D3=L3。

2）肿瘤位置Lx>L1/2:

c)如果L1≤1.5L2，那么D1=L1, D2=L2,

通过三角函数关系计算得到

a1）如果D3^，≤1.5L3，那么D3=D3^，;

a2 ) 如果D3^，＞1.5L3，那么D3=1.5L3;

d)如果L1>1.5L2，那么D1=1.5L2, D2=L2,

通过三角函数关系计算得到

b1）如果D3^，，≤1.5L3，那么D3=D3^，，;

b2 ) 如果D3^，，＞1.5L3，那么D3=1.5L3。

在上述实施例中，外阴口和阴道中部以填充直径最大为未填充时的1.5倍为标准进行填充，即上述步骤S4保证模型能顺利通过阴道口和阴道中段的同时内部各气囊与组织内壁没有缝隙且尽可能的撑开组织。目前临床上通过填充纱布的方法实施了3例患者，所构建的模型打印出来后，均能很好的满足临床需要，且在实施过程中患者无明显不适感。3例患者的外阴口和阴道中部宽度以及模型的大小数据。如下表。外阴口和阴道中部在其未填充状态下的宽度扩宽到1.5倍左右，患者无明显不适感。

3例患者的外阴口和阴道中部宽度以及模具最大宽度处宽度的数据（cm）

最后应说明的是：以上仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照具体实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明具体实施方式技术方案的精神与范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种人体组织空腔建模装置，其特征在于，包括填充棒、连接软气管、控制主机、气泵和电磁阀；所述填充棒包括顶部凹形气囊、环形气囊和多分道气管，所述凹形气囊分布于填充棒顶端用来适应穹窿的形状；所述环形气囊分布于填充棒的中间和尾部，用来填充阴道，所述多分道气管依次连通连接软气管和气泵，由所述控制主机控制所述电磁阀开启和关闭对填充棒各气囊进行独立充气；

所述多分道气管是一种圆柱形可弯曲管道，成“T”字形，中空分成多个独立的气道，中间有一空腔，各分气道的不同位置开气口，“T”的顶部气道给凹形气囊充放气，其他气道依次给后续的环形气囊充放气，气囊与气囊之间的充放气通过独立的多分道气管相互独立；

所述凹形气囊和环形气囊连接处以及多个环形气囊连接处的的壁均为厚壁，凹形气囊的凹位置为薄壁，环形气囊的侧面均为薄壁，便于与穹窿和阴道内壁进行充气贴合，填充棒整个外壁全部由一层薄壁气囊包裹；

利用所述人体组织空腔建模装置进行建模的方法包括如下步骤：

2.根据权利要求 1 所述的一种人体组织空腔建模装置，其特征在于，所述气道接口处布置有多个独立的气体流量监测装置，监测每个气道内的充气气体体积。

3.根据权利要求 1 所述的一种人体组织空腔建模装置，其特征在于，所述控制主机获取每个气囊的充气体积，并实时显示在主机的显示面板上。

4.根据权利要求1所述的一种人体组织空腔建模装置，其特征在于，所述步骤S1中，充气体积和气囊直径函数中气囊直径为气囊最大直径。

5.根据权利要求1所述的一种人体组织空腔建模装置，其特征在于，所述步骤S3中，气囊直径计算方法包括以下两种情况：

1）肿瘤位置Lx≤L1/2：

e)如果L1≤1.5L2，那么D1=L1, D2=L2, D3=L3;

f)如果L1>1.5L2，那么D1=1.5L2, D2=L2,D3=L3；

2）肿瘤位置Lx>L1/2:

e)如果L1≤1.5L2，那么D1=L1, D2=L2,

通过三角函数关系计算得到

a1）如果D3^，≤1.5L3，那么D3=D3^，;

a2 ) 如果D3^，＞1.5L3，那么D3=1.5L3;

f)如果L1>1.5L2，那么D1=1.5L2, D2=L2,

通过三角函数关系计算得到

b1）如果D3^，，≤1.5L3，那么D3=D3^，，;

b2 ) 如果D3^，，＞1.5L3，那么D3=1.5L3。