醫(yī)學(xué)圖像三維規(guī)劃系統(tǒng)輔助面部整形設(shè)計(jì)的研究

唐榮高

醫(yī)學(xué)圖像三維規(guī)劃系統(tǒng)輔助面部整形設(shè)計(jì)的研究

唐榮高

目的研究開發(fā)一種基于CT圖像的輔助整形外科的醫(yī)學(xué)圖像規(guī)劃系統(tǒng)。方法綜合應(yīng)用螺旋CT技術(shù)數(shù)字圖像算法，三維重建骨性及軟組織數(shù)字化模型，同時(shí)進(jìn)行其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為面部整形外科手術(shù)術(shù)前診斷和術(shù)后評(píng)估的規(guī)劃提供參考。結(jié)果實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用證明，該圖像系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于頜面整形外科手術(shù)規(guī)劃，大大提高手術(shù)規(guī)劃的準(zhǔn)確度，且利于術(shù)前術(shù)后醫(yī)患溝通。結(jié)論采用醫(yī)學(xué)圖像規(guī)劃系統(tǒng)對(duì)于面部整形外科具有一定的的臨床應(yīng)用價(jià)值。

整形外科計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手術(shù)規(guī)劃

隨著三維可視化技術(shù)的快速發(fā)展，其技術(shù)成果已被不斷應(yīng)用到各相關(guān)領(lǐng)域。根據(jù)圖像進(jìn)行三維重建是科學(xué)計(jì)算可視化的一個(gè)重要研究和應(yīng)用領(lǐng)域[1]。近年來，三維圖像重建技術(shù)引起了整形外科界的重視。應(yīng)用逼真的三維圖像可以對(duì)人體解剖結(jié)構(gòu)從任意角度進(jìn)行觀察、術(shù)前模擬、術(shù)中導(dǎo)向和術(shù)后評(píng)價(jià)，使得整形手術(shù)趨于精確和微創(chuàng)，提高手術(shù)的成功率和滿意度。因此，醫(yī)學(xué)圖像的三維規(guī)劃技術(shù)無論在臨床還是在理論研究領(lǐng)域都具有重要的意義。

本研究采用圖像序列輪廓表面繪制的模型為基礎(chǔ)，經(jīng)空間幾何算法、計(jì)算機(jī)圖像合成法和專用語(yǔ)言處理分析，建立面部三維可視化計(jì)算機(jī)模型和圖像測(cè)量分析系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上快速實(shí)現(xiàn)了經(jīng)表面繪制而成的面部骨骼和軟組織的多切面觀察，開發(fā)研究了頜面整形手術(shù)的仿真模擬規(guī)劃系統(tǒng)，對(duì)于整形外科及其他相關(guān)領(lǐng)域具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

本研究采用的病例資料為50例頭顱CT數(shù)據(jù)，均為上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院整復(fù)外科的面部整形病例，平均年齡25歲（18～38歲）。所有患者術(shù)前均行三維CT掃描，硬件及掃描參數(shù)為：16層螺旋CT（GE公司），螺旋掃描（5 mm體積掃描），層厚1.25 mm，140 kV，250 mA。標(biāo)準(zhǔn)DICOM 3.0 CT影像學(xué)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。

1.2 數(shù)據(jù)解析及圖像預(yù)處理

每個(gè)數(shù)據(jù)集由250張512×512的DICOM格式圖片組成。圖形工作站中使用的軟件版本已經(jīng)內(nèi)建了對(duì)DICOM圖像格式的支持，經(jīng)空間幾何算法、計(jì)算機(jī)圖像學(xué)合成法和專用語(yǔ)言處理分析等圖像預(yù)處理，形成三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，建立頜骨三維可視化計(jì)算機(jī)模型，在四維工作界面，可快速實(shí)現(xiàn)經(jīng)表面繪制而成的頜面部骨骼和軟組織的多切面觀察（圖1）。

圖1 四維工作界面

1.3 圖像規(guī)劃系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.3.1 圖像系統(tǒng)重建原理

符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)的CT圖像的三維可視化系統(tǒng)必須具有的基本功能是DICOM文件的解析功能，用于提取出重建的數(shù)據(jù)場(chǎng)和空間信息。針對(duì)醫(yī)學(xué)CT圖像的特殊性，即必須具有窗寬／窗位的調(diào)節(jié)功能，還必須具有體數(shù)據(jù)場(chǎng)的三維可視化功能。圖形工作站的程序?qū)T切片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由切片數(shù)據(jù)重建骨骼和皮膚，采用的算法是基于表面繪制的MC（Marching Cubes）算法。本系統(tǒng)綜合實(shí)際應(yīng)用需求和計(jì)算成本等原因，采用表面繪制重建方法，以3個(gè)正交醫(yī)學(xué)切面進(jìn)行剖切。工作站生成的頭顱三維模型或軟組織曲面模型利用軟件轉(zhuǎn)換成STL文件格式保存，將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)輸入到快速成型機(jī)，從而打印出實(shí)體三維模型。

1.3.2 手術(shù)設(shè)計(jì)及手術(shù)模擬

應(yīng)用三維圖像逆向處理軟件進(jìn)行術(shù)前測(cè)量及手術(shù)模擬。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，結(jié)合臨床表現(xiàn)(如面相、咬牙合關(guān)系)進(jìn)行診斷。利用軟件的曲面編輯功能實(shí)施各種顱頜面經(jīng)典手術(shù)的模擬，如旋轉(zhuǎn)、平移、截骨、固定等操作，記錄骨塊移動(dòng)的距離、旋轉(zhuǎn)角度、截骨位置等數(shù)據(jù)。對(duì)于顱面骨缺損病例，通過健側(cè)鏡像法構(gòu)建缺損側(cè)的數(shù)據(jù)，通過差值得到修補(bǔ)體的數(shù)據(jù)；對(duì)于需要植入自體骨或人工材料的病例，對(duì)現(xiàn)有曲面進(jìn)行編輯，使最終曲面符合患者要求，之后利用差值法求得植入體數(shù)據(jù)；如患者需要進(jìn)行多項(xiàng)手術(shù)操作，可根據(jù)臨床情況確定序貫治療方案（圖2、3）。

圖2 面部三維測(cè)量

圖3 下頜角肥大截骨手術(shù)設(shè)計(jì)

1.3.3 手術(shù)模型的操作

虛擬截骨過程前，先利用該二叉樹模型來定義骨塊單元及手術(shù)中可能會(huì)用到的骨塊集合。每一骨塊均有唯一的識(shí)別號(hào)，通過父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系來表現(xiàn)實(shí)際顱頜面各子骨段之間的關(guān)系。而最終截骨過程是在預(yù)先形成各子骨段模型并完成二叉樹模型分類后，虛擬截骨的過程即為針對(duì)各子骨段的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)的空間幾何操作。

根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所得的最佳手術(shù)方案進(jìn)行模型外科操作，操作過程完全模擬術(shù)中過程，操作使用的動(dòng)力系統(tǒng)、鉆頭、固定用鈦釘鈦板均與手術(shù)中相同；截骨的位置、骨塊的移動(dòng)依照計(jì)算及輔助設(shè)計(jì)中的數(shù)值。模型操作比計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)更加接近于真實(shí)情況，如果發(fā)現(xiàn)預(yù)定的數(shù)值在術(shù)中無法實(shí)施，則進(jìn)行必要修改。

1.3.4 實(shí)體三維模型的制作和應(yīng)用

圖形工作站生成的三維模型利用軟件轉(zhuǎn)換成STL文件格式保存，將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)輸入到快速成型機(jī)，從而打印出實(shí)體三維模型。本研究中三維模型打印包括顱骨缺損補(bǔ)塊和面部充填材料模型。所得修補(bǔ)體與CAD設(shè)計(jì)的修補(bǔ)體具有極高的吻合性，手術(shù)中無需塑形即可置入缺損區(qū)內(nèi)；對(duì)于需要進(jìn)行自體骨（顱骨外板、下頜骨外板、髂骨）移植，或多孔聚乙烯等人工材料置入的病例，則構(gòu)建塑形模板，即將CAD設(shè)計(jì)的置入物數(shù)據(jù)通過快速成型機(jī)加工成修補(bǔ)體模型（或稱B模），在術(shù)中將B模置于供骨區(qū)（如下頜骨、顱骨、肋骨處）沿模板邊界以美藍(lán)做標(biāo)記，可一次性取下所需材料，避免取材過多或取材不足而二次取材。如取材部位較大，還可根據(jù)供區(qū)情況將模板分解成幾個(gè)部分，分段取材后再將骨瓣拼接塑形；對(duì)于人工材料置入的患者可以根據(jù)模板選擇材料，術(shù)中比照模板進(jìn)行切削，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確度。

2 結(jié)果

本組病例均采用連續(xù)薄層容積掃描模式獲取頭顱CT數(shù)據(jù)，再將DICOM數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字接口傳至圖形工作站，按照表面陰影顯示法進(jìn)行三維重建。將三維重建數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化并采用快速成型技術(shù)制作成三維模型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精確的三維測(cè)量和準(zhǔn)確的臨床診斷并針對(duì)畸形、病變或骨折及骨缺損的具體情況進(jìn)行不同的手術(shù)模擬，包括顱頜面畸形或創(chuàng)傷后骨塊的截?cái)嘁莆还潭ㄒ约肮侨睋p個(gè)性化修復(fù)體的選擇和預(yù)制等。經(jīng)術(shù)后6個(gè)月隨訪，50例患者按術(shù)前設(shè)計(jì)的方案一次性完成手術(shù),除2例患者因?yàn)榛螄?yán)重按計(jì)劃需再次手術(shù)外，無其他并發(fā)癥，治療效果令人滿意。

3 討論

3.1 三維圖像的重建方法

三維重建系統(tǒng)所處理的對(duì)象是由二維CT、MRI等斷層圖像序列形成的立體結(jié)構(gòu)圖像數(shù)據(jù)，這些體數(shù)據(jù)是一個(gè)基于規(guī)則網(wǎng)格的三維標(biāo)量數(shù)據(jù)場(chǎng)。三維重建的目標(biāo)是將二維斷層圖像轉(zhuǎn)化為直觀的三維可視化頭顱模型[2]。立體結(jié)構(gòu)圖像體數(shù)據(jù)三維可視化方法主要分兩類：面繪制顯示和體繪制顯示。面繪制相比體繪制計(jì)算流程相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算量相對(duì)較小，因此重建速度要快于體繪制。體繪制以光照模型為基礎(chǔ)，當(dāng)觀察的視角發(fā)生變化，體繪制中光照模型參數(shù)全部發(fā)生變化，則需要對(duì)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)完全重新計(jì)算所有屬性變量并重新進(jìn)行合成。所以，雖然體繪制可以繪制出三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中包含的較豐富信息，有利于內(nèi)部深在的細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示，但綜合實(shí)際應(yīng)用需求和計(jì)算成本等原因，目前三維重建仍然較多采用面繪制重建方法[3]。因此，本系統(tǒng)采用面繪制重建方法，以3個(gè)正交醫(yī)學(xué)切面進(jìn)行剖切。在需要三維旋轉(zhuǎn)和交互顯示的場(chǎng)合，每次改變顯示角度時(shí)，面繪制算法不需要重新構(gòu)造中間幾何圖元，而只要重新計(jì)算幾何面片的法向量，因此對(duì)交互控制能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)，具有良好的可交互性。

3.2 三維CT圖像的特點(diǎn)

應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件，將螺旋CT連續(xù)橫斷掃描所獲得的容積數(shù)據(jù)信息進(jìn)行后處理，重建出直觀的立體圖像。其基本原則是將病變范圍包括在一次容積掃描中，有良好的連續(xù)性，能在病變范圍內(nèi)以不同的間距再分別重建。頜面部主要是骨關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的重建，常用SSD，即通過計(jì)算被掃描物體的表面所有相關(guān)像素的最高值和最低值，并保留其影像，而超出限定CT值閾值的像素則被當(dāng)作透明處理后成像[4]。根據(jù)需要還可以應(yīng)用其他處理技術(shù)，如MPR、MIP、VRT等。常規(guī)CT掃描不具備重建功能，只有應(yīng)用螺旋CT連續(xù)薄層橫斷掃描，尤其是16排螺旋CT掃描重建層厚可以達(dá)到0.125 mm，甚至更小。這樣才能重建出細(xì)致、連續(xù)光滑的三維立體圖像，通過不同軸面的旋轉(zhuǎn)切割充分顯示病變組織的方位、角度，更便于診斷和治療。

因此，三維CT圖像可幫助臨床醫(yī)生在手術(shù)治療前了解精確的解剖結(jié)構(gòu)，觀察各骨之間的立體空間關(guān)系，有助于制定精確安全的治療計(jì)劃，減少在局部矯治效果的判斷可能會(huì)出現(xiàn)的偏差。計(jì)算機(jī)代替醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)方案的三維構(gòu)思比較客觀、定量，且其信息可供整個(gè)手術(shù)組成員共享，還可同患者及家屬一起進(jìn)行觀看、交流，得到其積極配合，對(duì)不滿意之處進(jìn)行修改，從而制訂出較為完善的手術(shù)方案。

3.3 三維可視化規(guī)劃系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

計(jì)算機(jī)模擬手術(shù)也稱虛擬手術(shù)，集成了計(jì)算機(jī)成像技術(shù)和圖像編輯技術(shù)，是目前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域跨學(xué)科合作的熱點(diǎn)，也是現(xiàn)代模型外科的重要組成部分。首先，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行手術(shù)模擬毫無風(fēng)險(xiǎn),醫(yī)生們可以不受現(xiàn)有觀念的限制而實(shí)施多種操作，經(jīng)過反復(fù)權(quán)衡利弊后選出可行性最強(qiáng)的模型操作，更加符合優(yōu)選原則。但是，由于圖像模擬不能被觸摸，所以手術(shù)模擬過程并不能提供給外科醫(yī)生每一個(gè)操作細(xì)節(jié)的感受，頭顱實(shí)體模型彌補(bǔ)了這一不足，兩者在手術(shù)設(shè)計(jì)中相輔相成。其次，曲面編輯及曲面構(gòu)建過程是三維圖形編輯的功能之一[5]，結(jié)合數(shù)控車床制造技術(shù)和RP技術(shù)使術(shù)前預(yù)制修復(fù)體及塑形模板成為可能，作為模型外科與真實(shí)手術(shù)之間的信息傳遞者，改進(jìn)了外科手術(shù)的模式，將術(shù)中繁復(fù)的塑形工作移到術(shù)前進(jìn)行，簡(jiǎn)化了手術(shù)步驟，縮短了手術(shù)時(shí)間，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，而且包含曲面重建及編輯技術(shù)的植入體比人工塑形的植入體外形更加美觀[6]。因此，不斷優(yōu)化的軟件功能和臨床醫(yī)生的協(xié)助配合，三維可視化規(guī)劃系統(tǒng)較傳統(tǒng)研究的仿真模擬平臺(tái)更加側(cè)重了骨性和軟組織結(jié)合的變化，在術(shù)前設(shè)計(jì)中的作用效果顯著，模擬手術(shù)的仿真效果有了很大提高，提高了手術(shù)設(shè)計(jì)的合理性，使許多創(chuàng)新的手術(shù)設(shè)計(jì)成為可能，增加了手術(shù)的安全性，促進(jìn)了更加良好的醫(yī)患溝通的形成。

面部整形外科的術(shù)前圖像三維規(guī)劃系統(tǒng)是融合基礎(chǔ)科學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)與口腔頜面外科、整形外科等諸多領(lǐng)域的新興交叉技術(shù)，加速了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步。目前，醫(yī)工結(jié)合的很多應(yīng)用正在被開發(fā)或還處于原型樣機(jī)狀態(tài)。國(guó)外專家多年前就開始致力于虛擬現(xiàn)實(shí)在虛擬手術(shù)中的應(yīng)用，包括一些虛擬的工具，如手術(shù)刀、立體眼鏡等，切割時(shí)手上產(chǎn)生的虛擬觸覺[7]，這些在國(guó)內(nèi)尚未見相關(guān)報(bào)道。雖然國(guó)外已有資料論述虛擬截骨后的軟組織重建，但受到骨組織的變化，軟組織應(yīng)力相應(yīng)發(fā)生變化后的組織重建并非易事。由于技術(shù)條件的限制，目前將軟組織變化與骨組織變化聯(lián)動(dòng)起來的關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，缺乏臨床相關(guān)曲面數(shù)據(jù)庫(kù)的積累和總結(jié)，這些都是臨床醫(yī)師以及廣大計(jì)算機(jī)和材料學(xué)工作者需要合作解決的問題。

[1]郭妤,柴崗,祁佐良,等.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立下頜骨數(shù)字模型[J].組織工程與重建外科雜志,2007,3(2):93-95.

[2]Barillot C．Surface and volume rendering techniques to display 3D data[J]．IEEE Eng Med Biol,1993,12:111-119.

[3]龍勝春,劉盛,陳張健,等.顱頜面外科術(shù)前虛擬技術(shù)[J].中華整形外科雜志,2007,23(1):69-72.

[4]Taguchi K,Aradate H．Algorithm for image reconstruction in multi-slice helical CT[J]．Med Phys,1998,25(4):550-562．

[5]林李嵩,王煒,王志紅,等．建立個(gè)性化眶三維模型的研究[J]．中華整形外科雜志,2006,22(2):95-98．

[6]Christos CG,Michael MS,Petros TK,et a1．Computer methods for automating preoperative dental implant planning:Implant positioning and size assignment[J]．Comput Methods Programs Biomed,2007, 86:30-38．

[7]劉筱菁,歸來,張智勇,等.基于CT三維頭顱重建技術(shù)的模型在顱頜面畸形治療中的應(yīng)用[J].中華整形外科雜志,2006,22(3): 169-171.

2010年《中國(guó)修復(fù)重建外科雜志》征訂啟事

《中國(guó)修復(fù)重建外科雜志》是由中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部主管，中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)、四川大學(xué)華西醫(yī)院主辦，四川大學(xué)華西醫(yī)院承辦的國(guó)家級(jí)醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)術(shù)期刊，是國(guó)內(nèi)修復(fù)重建外科領(lǐng)域惟一核心期刊。期刊于1997年率先被國(guó)際權(quán)威醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)——MEDLINE及美國(guó)《醫(yī)學(xué)索引》(IM)收錄，此后相繼被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、俄羅斯《文摘雜志》(PЖ)、《日本科學(xué)技術(shù)社數(shù)據(jù)庫(kù)》（JICST）、荷蘭Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)、波蘭《哥白尼索引》等國(guó)際檢索系統(tǒng)收錄。此外，期刊還被《中文核心期刊要目總覽》（2008年版）、中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)（核心庫(kù)）、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊(中國(guó)科技核心期刊)等12家國(guó)內(nèi)檢索機(jī)構(gòu)收錄。

期刊設(shè)有臨床（研究）論著、干細(xì)胞與組織工程、異體及異種移植、臨床新技術(shù)、綜述、科研快報(bào)、短篇論著、短篇報(bào)道等欄目。學(xué)科領(lǐng)域覆蓋骨科、手外科、顯微外科、整形外科、口腔頜面外科、泌尿外科、神經(jīng)外科、康復(fù)醫(yī)學(xué)、再生醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等。以各級(jí)臨床外科醫(yī)師及生物醫(yī)學(xué)研究者為主要讀者對(duì)象。

本刊為月刊，每月15日出版，大16開本，128頁(yè)，80g亞光紙印刷，每期定價(jià)15.00元，全年12期共180元。歡迎廣大讀者到當(dāng)?shù)剜]局征訂，郵發(fā)代號(hào)：62－80。此外，本編輯部長(zhǎng)期提供郵購(gòu)業(yè)務(wù)。

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《中國(guó)修復(fù)重建外科雜志》編輯部

2009-8-05

Application of 3-Dimensional Computer and Medical Image-Assisted Systems in Facial Plastic Surgery

TANG Ronggao.

Department of Medical Engineer,Shanghai Ninth People′s Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.

ObjectiveTo study the application of 3-dimensional computer and medical image-assisted systems in facial plastic surgery.MethodsApplication of spiral CT technology integrated digital imaging algorithm,3-dimensional reconstruction of bone and soft-tissue digital model.At the same time,after preoperative diagnosis and assessment of reference for the planning,frame for the design of their systems for facial plastic surgery.ResultsExperimental and clinical application proved that the image system can be used in plastic surgery and maxillofacial surgery planning.It can also enhance the accuracy of surgical planning,and in favor of physician-patient communication before and after operation.ConclusionPlanning system used for medical image facial plastic surgery has some value in clinical application.

Plastic surgery;Computer assisted design;Surgical planning

R622

A

1673－0364（2009）04－0208－04

2009年3月4日；

2009年5月29日)

10.3969/j.issn.1673-0364.2009.08.008

200011上海市上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程室。