數(shù)字化組織瓣的虛擬解剖學(xué)測(cè)量及其臨床初步應(yīng)用.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，多學(xué)科融合、交叉是各類學(xué)科發(fā)展的必然途徑與趨勢(shì)。目前數(shù)字醫(yī)學(xué)已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要組成部分，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)滲透到醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，從而促使醫(yī)學(xué)技術(shù)向個(gè)性化、精確化、微創(chuàng)化和遠(yuǎn)程化方向快速發(fā)展。采用現(xiàn)代影像學(xué)、電腦圖形圖像處理、計(jì)算醫(yī)學(xué)、現(xiàn)代臨床解剖學(xué)和骨科學(xué)相結(jié)合建立的“數(shù)字化組織瓣”可為學(xué)生提供立體、直觀、動(dòng)態(tài)的組織瓣解剖學(xué)基礎(chǔ)，將單調(diào)的二維解剖圖譜教學(xué)由平面變?yōu)榱Ⅲw，由靜態(tài)變動(dòng)態(tài)，由單面變多面，對(duì)在校學(xué)生無論是在課上

2、還是課下，可系統(tǒng)地學(xué)習(xí)解剖學(xué)和開展臨床教學(xué)訓(xùn)練均有較大的幫助。針對(duì)顯微外科領(lǐng)域皮瓣的血管系統(tǒng)進(jìn)行的解剖學(xué)研究已廣泛開展，例如大體解剖、血管鑄型和多層螺旋CT掃描等技術(shù)，為開展皮瓣血管形態(tài)學(xué)研究提供了新的手段和發(fā)展空間。 數(shù)字化三維圖像與構(gòu)建的模型除了可用于臨床多媒體解剖教學(xué)，還可導(dǎo)入虛擬仿真手術(shù)軟件，進(jìn)行手術(shù)培訓(xùn)。眾所周知，傳統(tǒng)的醫(yī)療手術(shù)訓(xùn)練模式和學(xué)習(xí)是按照“師傅帶徒弟”的方式進(jìn)行的，手術(shù)室就是教室，有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生通過“作一個(gè)、看

3、一個(gè)、學(xué)一個(gè)”的方式訓(xùn)練初學(xué)者，教學(xué)內(nèi)容隨機(jī)的依賴于病人的出現(xiàn)，有很大的不可預(yù)見性，難于進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)。同時(shí)這種訓(xùn)練方法勢(shì)必延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間，增加手術(shù)成本，甚至影響手術(shù)質(zhì)量，因而常常遭到病人的抵制。雖然目前的多層螺旋CT可以進(jìn)行三維重建并以獲得很好的圖像顯示，但不能以其它方式導(dǎo)出，不方便進(jìn)行臨床應(yīng)用和示教，而新的計(jì)算機(jī)技術(shù)可以利用動(dòng)態(tài)三維圖像對(duì)傳統(tǒng)二維醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行補(bǔ)充，用連續(xù)斷層圖像進(jìn)行三維重建，可以精確地顯示生物組織復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，并可進(jìn)

4、行任意旋轉(zhuǎn)、剖切觀察和操作；可以對(duì)重建的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，獲得長(zhǎng)度、面積、體積和角度等大量精確的解剖參數(shù)；可以用于臨床輔助診斷、輔助手術(shù)設(shè)計(jì)和手術(shù)模擬等方面。 雖然高速螺旋CT重建技術(shù)中已經(jīng)成為臨床上普遍采用的影像學(xué)檢查手段。但CT及MRI等二維圖像均難于反映局部解剖空間位置與毗鄰關(guān)系。計(jì)算機(jī)輔助三維重建技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可很好的解決這個(gè)問題，其優(yōu)點(diǎn)在于三維立體解剖結(jié)構(gòu)可從任意角度、任意方向上地觀察。在醫(yī)學(xué)圖像方面，“美國可

5、視人計(jì)劃（Visible Human Project）”（1989）在全球引起了巨大反響。數(shù)字人研究是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)等學(xué)科相互結(jié)合的前沿性交叉項(xiàng)目，對(duì)科技發(fā)展有著深遠(yuǎn)意義。1989年美國國立圖書館（NLM）舉行電子圖像處理特別規(guī)劃工作組會(huì)議，會(huì)議通過了一個(gè)報(bào)告，認(rèn)為圖像為理解生物結(jié)構(gòu)和機(jī)能提供便利，是醫(yī)學(xué)教育、研究和保健的重要組成部分。“可視人”技術(shù)的不斷完善和軟、硬件技術(shù)的成熟使電腦構(gòu)建的三維虛擬現(xiàn)實(shí)圖形直接指導(dǎo)臨床應(yīng)用提供

6、了條件，而人機(jī)交互界面及演示技術(shù)的發(fā)展為三維虛擬現(xiàn)實(shí)圖像在臨床的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的舞臺(tái)。目前國外已利用“可視人”等技術(shù)設(shè)計(jì)出“虛擬現(xiàn)實(shí)”軟件直接應(yīng)用于醫(yī)療教學(xué)和臨床訓(xùn)練。數(shù)字化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為外科手術(shù)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)開辟了全新的途徑。 本課題選取供血?jiǎng)用}比較恒定的腓腸肌皮瓣和髂骨瓣進(jìn)行三維數(shù)字化重建，并在Amira軟件中進(jìn)行解剖學(xué)測(cè)量，探討兩種不同方法重建的數(shù)字化組織瓣模型測(cè)量所得數(shù)據(jù)與尸體解剖數(shù)據(jù)是否存在差異，三維重建的組

7、織瓣模型能否真實(shí)、準(zhǔn)確的反映實(shí)體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。為多媒體顯微外科解剖學(xué)教學(xué)提供數(shù)據(jù)以及為三維臨床手術(shù)設(shè)計(jì)和術(shù)前定位提供條件。 目的: 1.探討數(shù)字化三維重建技術(shù)在組織瓣中的構(gòu)建。 2.通過虛擬解剖學(xué)測(cè)量，探討數(shù)字化三維重建的組織瓣模型能否真實(shí)、準(zhǔn)確的反映實(shí)體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。 3.應(yīng)用虛擬可視技術(shù)對(duì)患者進(jìn)行個(gè)性化組織瓣三維重建，并指導(dǎo)腓腸肌皮瓣和髂骨瓣的手術(shù)設(shè)計(jì)和手術(shù)操作。 方法: 1.數(shù)字化組織瓣

8、的三維重建數(shù)據(jù)獲?。孩傧轮苷３扇?人（男女各3人），取得患者知情同意。螺旋CT掃描：術(shù)前碘過敏試驗(yàn)陰性，經(jīng)肘正中靜脈注射非離子型造影劑優(yōu)維顯300（碘普羅胺注射液，成份：碘普羅胺0.623g/ml，碘300 mg/ml，廣州先靈藥業(yè)有限公司）90 ml，注射速度3 ml/s，自動(dòng)監(jiān)測(cè)，手動(dòng)觸發(fā)。 CT掃描參數(shù)：120 kV、200 mA；層厚5 cm（最后可拆成0.625mm的原始圖像），將其數(shù)據(jù)以.DICOM格式導(dǎo)出。②新鮮捐獻(xiàn)

9、成人尸體2具，血管正常，無明顯周圍血管病變和瘢痕，采用Tang等改良的明膠.氧化鉛灌注方法灌注，灌注前后均對(duì)全身行連續(xù)螺旋CT掃描，掃描條件：120Kv，110mA，參數(shù)：層厚0.5mm，矩陣512×512。將掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)的Amira4.1重建軟件，經(jīng)自動(dòng)或手動(dòng)閾值分割后采用表面重建方法SSD（surface shade display）重建血管、肌肉、骨骼以及皮膚圖像。輪廓提取，利用Amira提供的畫筆（Br

10、ush）、套索（Lasso）、魔術(shù)棒（Magic wand）等圖像分割工具，對(duì)組織瓣各結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取、生成面片，然后用“smooth label”對(duì)邊界進(jìn)行光滑處理，“remove islands”去除島嶼，根據(jù)計(jì)算機(jī)的配置情況對(duì)輪廓線進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，采用SDD進(jìn)行三維表面重建。用同樣方法對(duì)組織瓣血管、肌肉和骨骼等進(jìn)行表面重建或容積重建，然后將重建的肌肉、血管、皮瓣、骨骼圖像根據(jù)人體組織不同顏色給予著彩。對(duì)組織瓣血管、肌肉和骨骼等進(jìn)行表面重

11、建或容積重建并將其數(shù)據(jù)單獨(dú)保存。最后制作movle進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察和多媒體教學(xué)。 2.數(shù)字化組織瓣模型的解剖學(xué)測(cè)量用數(shù)字化三維重建方法將組織瓣模型構(gòu)建后（方法同上），利用Amira4.1軟件自帶測(cè)量工具對(duì)重建模型進(jìn)行測(cè)量，對(duì)氧化鉛灌注和血管造影兩種不同構(gòu)建方法的數(shù)字化組織瓣與正常尸體解剖數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析各自的特點(diǎn)。 3.數(shù)字化組織瓣的臨床初步應(yīng)用選擇2007年3月至2008年12月需腓腸肌皮瓣創(chuàng)面修復(fù)的3例患者，以及采用旋

12、髂深血管支髂骨瓣對(duì)股骨干骨折和脛骨骨折缺損以及骨不連進(jìn)行骨缺損修復(fù)的2例患者。術(shù)前經(jīng)肘正中靜脈注射優(yōu)維顯后，用螺旋CT進(jìn)行掃描（參數(shù)：120 kV、200 mA；層厚5 cm）。將掃描數(shù)據(jù)以.DICOM格式輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)的Amira4.1重建軟件，經(jīng)自動(dòng)或手動(dòng)閾值分割后，采用表面重建SSD法重建組織瓣供區(qū)血管、骨骼和（或）皮膚，并顯示血管與毗鄰組織的關(guān)系。應(yīng)用軟件自帶測(cè)量工具對(duì)血管蒂、骨瓣長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。依據(jù)測(cè)量結(jié)果及患者骨缺損長(zhǎng)度和皮膚

13、損傷面積對(duì)重建圖像進(jìn)行圖像切割、表面重建，構(gòu)建患者的個(gè)性化組織瓣。術(shù)前手術(shù)組將重建圖像仔細(xì)演示，根據(jù)重建圖像于患者供區(qū)組織瓣設(shè)計(jì)出點(diǎn)、線、面，術(shù)中仔細(xì)校對(duì)動(dòng)脈與重建血管的走行是否相符，并依重建圖像大小切取組織瓣。 結(jié)果: 1.數(shù)字化三維重建技術(shù)可以直觀準(zhǔn)確地顯示正常組織瓣的三維解剖形態(tài)，血管走行和組織瓣的毗鄰結(jié)構(gòu)。特別是動(dòng)脈的分支情況和體表的投影得到很好的顯示。利用軟件自帶的Movie Maker模板創(chuàng)建電影文件，畫面清

14、晰流暢，可直觀、立體的顯示形態(tài)特征，方便臨床解剖教學(xué)。 2.重建的數(shù)字化模型測(cè)量數(shù)據(jù)與尸體組織瓣的解剖學(xué)數(shù)據(jù)基本相符。腓腸肌皮瓣氧化鉛灌注顯示，腓腸肌內(nèi)側(cè)動(dòng)脈起始處與穿支點(diǎn)的距離平均1.8cm，重建出的穿支血管數(shù)平均為5條，外徑為0.3～0.8mm，腓腸內(nèi)側(cè)動(dòng)脈主干血管外徑平均為2.6 mm；影像學(xué)造影顯示，腓腸肌內(nèi)側(cè)動(dòng)脈起始處與穿支點(diǎn)的距離平均2.0 cm，重建出的穿支血管數(shù)平均為2條，外徑為0.1～0.5 mm，腓腸內(nèi)側(cè)動(dòng)脈

15、干血管外徑平均為2.0 mm。髂骨瓣氧化鉛灌注顯示，旋髂深動(dòng)脈起始點(diǎn)距髂前上棘的距離為4.2cm，旋髂深動(dòng)脈主干外徑平均為3.1 mm，髂嵴內(nèi)段穿支血管數(shù)平均為6條，外徑為0.5～0.9 mm；影像學(xué)造影顯示，旋髂深動(dòng)脈起點(diǎn)距髂前上嵴平均5.2cm，旋髂深動(dòng)脈外徑平均為2.2 mm，髂嵴內(nèi)段穿支血管數(shù)平均為2條，外徑為0.2～0.5mm。 3.所重建個(gè)性化腓腸肌皮瓣的患者3例，均能夠清晰顯示血管、皮膚及其毗鄰結(jié)構(gòu)的三維關(guān)系。并根

16、據(jù)術(shù)前創(chuàng)面缺損大小，對(duì)皮瓣進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。其中2例病人所顯示的皮瓣主要穿支及主干，與術(shù)中檢查相符；1例顯示皮瓣主干血管，但穿支顯示不清，術(shù)中探查穿支血管平均約0.5 mm，最小穿支均小于0.3 mm。術(shù)后3例皮瓣全部成活。三維重建患者個(gè)性化骨瓣2例，所重建個(gè)性化髂骨瓣，能夠清晰顯示血管、骨骼及其毗鄰結(jié)構(gòu)的三維關(guān)系。并根據(jù)術(shù)前骨缺損大小，對(duì)骨瓣進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。2例病人所顯示的骨瓣主要血供主干，均與術(shù)中檢查相符。術(shù)前測(cè)量旋髂深動(dòng)脈起點(diǎn)距髂前上嵴

17、平均4.28 cm，旋髂深動(dòng)脈外徑平均為2.4mm，穿支血管數(shù)平均為3條。術(shù)后2例髂骨瓣全部成活。 結(jié)論: 1.采用數(shù)字化三維重建技術(shù)可以直觀顯示正常組織瓣的三維解剖形態(tài)，可實(shí)現(xiàn)更多人體解剖結(jié)構(gòu)可視化，為解剖教學(xué)展示提供參考，完善和豐富顯微外科臨床與解剖教學(xué)手段，彌補(bǔ)了尸體解剖教學(xué)標(biāo)本不足的問題。 2.數(shù)字化組織瓣的虛擬解剖學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)在實(shí)體組織瓣測(cè)量數(shù)據(jù)的范圍之內(nèi)，并能夠準(zhǔn)確的顯示組織瓣的血供來源與血供形式，為今