數字化組織瓣的虛擬解剖學測量及其臨床初步應用.pdf

1、隨著科學技術飛速發(fā)展，多學科融合、交叉是各類學科發(fā)展的必然途徑與趨勢。目前數字醫(yī)學已成為現代醫(yī)學的重要組成部分，數字技術已經滲透到醫(yī)學的各個領域，從而促使醫(yī)學技術向個性化、精確化、微創(chuàng)化和遠程化方向快速發(fā)展。采用現代影像學、電腦圖形圖像處理、計算醫(yī)學、現代臨床解剖學和骨科學相結合建立的“數字化組織瓣”可為學生提供立體、直觀、動態(tài)的組織瓣解剖學基礎，將單調的二維解剖圖譜教學由平面變?yōu)榱Ⅲw，由靜態(tài)變動態(tài)，由單面變多面，對在校學生無論是在課上

2、還是課下，可系統(tǒng)地學習解剖學和開展臨床教學訓練均有較大的幫助。針對顯微外科領域皮瓣的血管系統(tǒng)進行的解剖學研究已廣泛開展，例如大體解剖、血管鑄型和多層螺旋CT掃描等技術，為開展皮瓣血管形態(tài)學研究提供了新的手段和發(fā)展空間。 數字化三維圖像與構建的模型除了可用于臨床多媒體解剖教學，還可導入虛擬仿真手術軟件，進行手術培訓。眾所周知，傳統(tǒng)的醫(yī)療手術訓練模式和學習是按照“師傅帶徒弟”的方式進行的，手術室就是教室，有經驗的醫(yī)生通過“作一個、看

3、一個、學一個”的方式訓練初學者，教學內容隨機的依賴于病人的出現，有很大的不可預見性，難于進行系統(tǒng)的教學。同時這種訓練方法勢必延長手術時間，增加手術成本，甚至影響手術質量，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出，不方便進行臨床應用和示教，而新的計算機技術可以利用動態(tài)三維圖像對傳統(tǒng)二維醫(yī)學圖像進行補充，用連續(xù)斷層圖像進行三維重建，可以精確地顯示生物組織復雜的三維結構，并可進

4、行任意旋轉、剖切觀察和操作；可以對重建的三維結構進行測量，獲得長度、面積、體積和角度等大量精確的解剖參數；可以用于臨床輔助診斷、輔助手術設計和手術模擬等方面。 雖然高速螺旋CT重建技術中已經成為臨床上普遍采用的影像學檢查手段。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系。計算機輔助三維重建技術廣泛應用于醫(yī)學領域可很好的解決這個問題，其優(yōu)點在于三維立體解剖結構可從任意角度、任意方向上地觀察。在醫(yī)學圖像方面，“美國可

5、視人計劃（Visible Human Project）”（1989）在全球引起了巨大反響。數字人研究是現代計算機信息技術與醫(yī)學等學科相互結合的前沿性交叉項目，對科技發(fā)展有著深遠意義。1989年美國國立圖書館（NLM）舉行電子圖像處理特別規(guī)劃工作組會議，會議通過了一個報告，認為圖像為理解生物結構和機能提供便利，是醫(yī)學教育、研究和保健的重要組成部分。“可視人”技術的不斷完善和軟、硬件技術的成熟使電腦構建的三維虛擬現實圖形直接指導臨床應用提供

6、了條件，而人機交互界面及演示技術的發(fā)展為三維虛擬現實圖像在臨床的應用提供了一個很好的舞臺。目前國外已利用“可視人”等技術設計出“虛擬現實”軟件直接應用于醫(yī)療教學和臨床訓練。數字化和虛擬現實技術的出現為外科手術的訓練和學習開辟了全新的途徑。 本課題選取供血動脈比較恒定的腓腸肌皮瓣和髂骨瓣進行三維數字化重建，并在Amira軟件中進行解剖學測量，探討兩種不同方法重建的數字化組織瓣模型測量所得數據與尸體解剖數據是否存在差異，三維重建的組

7、織瓣模型能否真實、準確的反映實體解剖學結構。為多媒體顯微外科解剖學教學提供數據以及為三維臨床手術設計和術前定位提供條件。 目的: 1.探討數字化三維重建技術在組織瓣中的構建。 2.通過虛擬解剖學測量，探討數字化三維重建的組織瓣模型能否真實、準確的反映實體解剖學結構。 3.應用虛擬可視技術對患者進行個性化組織瓣三維重建，并指導腓腸肌皮瓣和髂骨瓣的手術設計和手術操作。 方法: 1.數字化組織瓣

8、的三維重建數據獲取：①下肢血管正常成人6人（男女各3人），取得患者知情同意。螺旋CT掃描：術前碘過敏試驗陰性，經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，自動監(jiān)測，手動觸發(fā)。 CT掃描參數：120 kV、200 mA；層厚5 cm（最后可拆成0.625mm的原始圖像），將其數據以.DICOM格式導出。②新鮮捐獻

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，灌注前后均對全身行連續(xù)螺旋CT掃描，掃描條件：120Kv，110mA，參數：層厚0.5mm，矩陣512×512。將掃描數據以DICOM格式輸入個人計算機的Amira4.1重建軟件，經自動或手動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）、魔術棒（Magic wand）等圖像分割工具，對組織瓣各結構進行提取、生成面片，然后用“smooth label”對邊界進行光滑處理，“remove islands”去除島嶼，根據計算機的配置情況對輪廓線進行適當簡化，采用SDD進行三維表面重建。用同樣方法對組織瓣血管、肌肉和骨骼等進行表面重建或容積重建，然后將重建的肌肉、血管、皮瓣、骨骼圖像根據人體組織不同顏色給予著彩。對組織瓣血管、肌肉和骨骼等進行表面重

11、建或容積重建并將其數據單獨保存。最后制作movle進行動態(tài)觀察和多媒體教學。 2.數字化組織瓣模型的解剖學測量用數字化三維重建方法將組織瓣模型構建后（方法同上），利用Amira4.1軟件自帶測量工具對重建模型進行測量，對氧化鉛灌注和血管造影兩種不同構建方法的數字化組織瓣與正常尸體解剖數據進行比較，分析各自的特點。 3.數字化組織瓣的臨床初步應用選擇2007年3月至2008年12月需腓腸肌皮瓣創(chuàng)面修復的3例患者，以及采用旋

12、髂深血管支髂骨瓣對股骨干骨折和脛骨骨折缺損以及骨不連進行骨缺損修復的2例患者。術前經肘正中靜脈注射優(yōu)維顯后，用螺旋CT進行掃描（參數：120 kV、200 mA；層厚5 cm）。將掃描數據以.DICOM格式輸入個人計算機的Amira4.1重建軟件，經自動或手動閾值分割后，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系。應用軟件自帶測量工具對血管蒂、骨瓣長度進行測量。依據測量結果及患者骨缺損長度和皮膚

13、損傷面積對重建圖像進行圖像切割、表面重建，構建患者的個性化組織瓣。術前手術組將重建圖像仔細演示，根據重建圖像于患者供區(qū)組織瓣設計出點、線、面，術中仔細校對動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。 結果: 1.數字化三維重建技術可以直觀準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構。特別是動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。 2.重建的數字化模型測量數據與尸體組織瓣的解剖學數據基本相符。腓腸肌皮瓣氧化鉛灌注顯示，腓腸肌內側動脈起始處與穿支點的距離平均1.8cm，重建出的穿支血管數平均為5條，外徑為0.3～0.8mm，腓腸內側動脈主干血管外徑平均為2.6 mm；影像學造影顯示，腓腸肌內側動脈起始處與穿支點的距離平均2.0 cm，重建出的穿支血管數平均為2條，外徑為0.1～0.5 mm，腓腸內側動脈

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

16、據術前創(chuàng)面缺損大小，對皮瓣進行精確設計。其中2例病人所顯示的皮瓣主要穿支及主干，與術中檢查相符；1例顯示皮瓣主干血管，但穿支顯示不清，術中探查穿支血管平均約0.5 mm，最小穿支均小于0.3 mm。術后3例皮瓣全部成活。三維重建患者個性化骨瓣2例，所重建個性化髂骨瓣，能夠清晰顯示血管、骨骼及其毗鄰結構的三維關系。并根據術前骨缺損大小，對骨瓣進行精確設計。2例病人所顯示的骨瓣主要血供主干，均與術中檢查相符。術前測量旋髂深動脈起點距髂前上嵴

17、平均4.28 cm，旋髂深動脈外徑平均為2.4mm，穿支血管數平均為3條。術后2例髂骨瓣全部成活。 結論: 1.采用數字化三維重建技術可以直觀顯示正常組織瓣的三維解剖形態(tài)，可實現更多人體解剖結構可視化，為解剖教學展示提供參考，完善和豐富顯微外科臨床與解剖教學手段，彌補了尸體解剖教學標本不足的問題。 2.數字化組織瓣的虛擬解剖學測量數據在實體組織瓣測量數據的范圍之內，并能夠準確的顯示組織瓣的血供來源與血供形式，為今