腕部無創(chuàng)性三維CT仿真局解在體研究

楊秀軍 邢光富 李巍 史常文

隨著CT、MRI等醫(yī)學影像和數(shù)字圖像處理、計算機圖形圖像、計算機視覺等技術的迅猛發(fā)展,基于斷層數(shù)據(jù)的人體組織器官三維（3D）重構、幾何特征測量甚至數(shù)字人體得以實現(xiàn)。后處理重構組織器官的解剖結構尤其3D形態(tài)系多層螺旋CT（multiple slice CT,MSCT）的優(yōu)勢之一,常過容積再現(xiàn) (volume rendering,VR)、最大密度投影(maximum intensity projection,MIP)、表面陰影顯示 (shaded surface display,SSD)等成像模式來實現(xiàn)[1-2]。目前,基于活體斷面CT數(shù)據(jù)的3D可視化重構技術主要應用于仿真內(nèi)鏡成像[3-4]和某一固定閾值的單一或某兩種組織結構如骨骼[5]、血管[6-8]、氣道[9]、胃腸[3-4]、尿路[10]等3D成像與形態(tài)學診斷,但尚缺乏進一步采用序貫閾值動態(tài)調(diào)節(jié)閾值區(qū)間或加電子刀技術逐層序列3D成像來模擬人體組織局部解剖及活體數(shù)字化建模的研究。為了進一步拓展X線電視透視導向軟組織異物經(jīng)皮摘除術,提高軟組織異物經(jīng)皮軟組織介入治療水平與安全性,本研究采用序貫閾值動態(tài)調(diào)節(jié)的方法,對復雜結構尤其血管旁、深部異物患者實現(xiàn)了患處CT仿真解剖成像研究[11],著重顯示和測量異物形態(tài)、大小、深度、角度及其與重要臟器的最短距離等,用于分析、判斷并決定異物鉗取的最佳入路、角度、力度和評估軟組織異物介入的可摘除性與治療風險。其中,腕連接前臂與手,結構和功能復雜,且終日暴露在外,活動度大,易致異物等損傷,容易影響患者日常生活、學習和工作。為此,在研究腕部損傷患者的CT仿真解剖成像與軟組織異物經(jīng)皮軟組織介入治療的同時,試著基于這些薄層CT斷面圖像構建活體3D數(shù)字化腕模型,以精確3D顯示腕部解剖結構和模擬手術解剖操作,本文就著重探討基于螺旋CT薄層斷面圖像腕模型構建的可行性、技術方法與臨床意義。

1 資料和方法

1.1 一般資料52例患者中,單側腕部區(qū)域異物47例、骨折3例、脫位1例、軟組織挫傷1例,其中男性35例,女性17例,年齡12～63歲（中位年齡32歲）。

1.2 儀器和方法所有患者患腕均行螺旋CT平掃,21例同時行增強掃描。應用GE LightSpeed Plus螺旋CT儀,層厚、間隔5 mm,重建層厚、間隔1.25 mm。增強掃描一般采集動脈期和靜脈期兩個時相圖像數(shù)據(jù),對比劑應用300 mgI/mL歐乃派克,總量90 mL,速率3 mL/s,經(jīng)對側上肢或下肢靜脈高壓注射器自動推注。

將薄層重建后的源影像數(shù)據(jù)傳輸至GE AW 4.2影像工作站,采用Volume Rendering圖像后處理軟件分析系統(tǒng),在VR Tools菜單里選擇VR Opacity軟件,通過鼠標自-600 Hu逐漸滑升至120 Hu調(diào)節(jié)極小閾值數(shù)值（極大閾值一般預設,固定為600 Hu,有時也作適當調(diào)整）,分別3D重構掌面觀、背面觀等自皮膚至骨骼各層局部解剖,同時采用電子刀技術獲得斷面觀圖像。系統(tǒng)觀察腕外形、皮膚、靜脈、動脈、神經(jīng)、關節(jié)、肌肉尤其肌腱與韌帶、筋膜、骨骼等組織結構的顯示情況及其最佳顯示方法、角度與閾值區(qū)間,著重觀察腕部諸解剖結構與病變的顯示及腕模型構建情況。

2 結果

腕的掌面觀、背面觀自皮膚至骨骼解剖結構逐層類似解剖地3D顯示率為100%,腕部各解剖組織結構3D成像與顯示的極小閾值范圍見表1,其中皮膚、皮下靜脈、肌腱、關節(jié)、骨骼的最佳3D顯示極小閾值分別為-300 Hu、-200 Hu、-100 Hu、0 Hu、100 Hu,所有伸、曲肌腱、皮下靜脈、骨骼清晰3D顯示率達100%（圖1）。而所有動脈或深部靜脈僅100%分別顯示在基于增強動脈期、靜脈期掃描源影像的仿真局解成像上（圖2）,80 Hu至110 Hu極小閾值時動脈成像及其與毗鄰不透X線異物、骨骼解剖位置關系顯示好。基于含碘對比劑增強的CT 3D圖像,清晰顯示了腕部橈動脈、尺動脈、骨間背動脈、骨間掌側動脈及同名伴行靜脈與多層次、多來源、多吻合的腕部動脈網(wǎng)、靜脈網(wǎng),其中腕背側血管及血管網(wǎng)優(yōu)勢明顯,腕背側動脈網(wǎng)主要由橈動脈腕背支、骨間前動脈背側支及上穿動脈上支吻合形成,腕掌側動脈網(wǎng)主要由橈動脈腕掌支、骨間前動脈掌側支和尺動脈腕背支吻合形成,網(wǎng)多較完整。腕外形（包括“鼻煙壺”凹陷）、皮膚與毛囊、皮下靜脈、伸屈肌腱、動脈、深部靜脈、橈腕關節(jié)、尺橈遠側關節(jié)、腕骨間關節(jié)、腕掌關節(jié)及諸骨均得以逼真3D成像與展示,腕部橈骨、尺骨、舟骨、月骨、三角骨、豌豆骨、大多角骨、小多角骨、頭狀骨、鉤狀骨和第Ⅰ～Ⅴ掌骨及彼此解剖位置關系與關節(jié)聯(lián)系得以360°全方位的任意角度和比例大小顯示與觀測,實現(xiàn)了基于腕部的CT薄層斷面影像的數(shù)字化腕模型的構建。該模型成功進行了多模式交互演示和多角度任意區(qū)域、方位、大小切割與長度、角度測量等實時交互功能操作。

表1 腕掌面觀、背面觀各組織結構3D成像與顯示的極小閾值數(shù)值區(qū)間（Hu,最大閾值600）

利用cut軟件及鼠標勾勒或自動電子刀區(qū)域切割軟件對3D腕圖像進行橫斷面切割,均成功獲得了腕的3D斷面觀圖像與仿真解剖。腕部韌帶、腕管結構在掌面觀、背面觀各閾值區(qū)間3D圖像上幾無明確顯示（圖1、2）,其骨纖維性隧道結構在3D斷面觀上顯示率達100%,極小閾值范圍為-200 Hu～50 Hu,其中0 Hu顯示效果較好（圖3）,其準確3D成像與揭示了腕管掌側的纖維韌帶結構（橫于大多角骨、鉤骨間的腕橫韌帶）、背側的腕骨結構和其間通行的拇長屈肌腱、4根屈指淺肌腱、4 根屈指深肌腱、正中神經(jīng)及尺側囊等結構,尤其腕背側自橈側向尺側的拇長展肌和拇短伸肌腱鞘、橈側腕長短伸肌腱鞘、拇長伸肌腱鞘、指伸肌和食指伸肌腱鞘、小指伸肌腱鞘和尺側腕伸肌腱鞘六個腱鞘一目了然,緊貼腕管的前外方的尺動脈、尺神經(jīng)及腕管外圍諸解剖結構與異物也得以清晰顯示和觀測,腕部解剖結構在空間上的位置關系直觀地顯示在斷面觀圖像上。

圖1 左腕尺動脈旁金屬異物患者,基于動脈相（圖1A-1J）、靜脈相（圖1K-1L）的背面觀（圖1A-1E、1K分別為最小閾值-500、-200、-50、0、50、-350 Hu之表皮觀、皮下靜脈觀、筋膜與肌肉觀、肌腱觀、關節(jié)觀、靜脈相表皮靜脈觀）、掌面觀（圖1F-1J、1l分別為最小閾值-500、-200、-50、0、50、100、-350 Hu之表皮觀、皮下靜脈觀、筋膜與肌肉觀、肌腱觀、關節(jié)觀、骨骼觀、靜脈相表皮靜脈觀）仿真解剖圖像,腕局部外形、皮膚、皮下靜脈、伸屈肌腱、動脈、橈腕關節(jié)、尺橈遠側關節(jié)、腕骨間關節(jié)、腕掌關節(jié)及諸骨逼真3D展示。尺、橈動脈及分支顯示于動脈相之筋膜與肌肉觀、肌腱觀、關節(jié)觀、骨骼觀,腕的筋膜鞘與筋膜間隙成像、顯示模糊。尺、橈神經(jīng)與正中神經(jīng)未顯示。箭示尺動脈旁金屬異物

圖2 腕部金屬異物患者,基于增強動脈（圖2A、2B）靜脈相（圖2C、2D）斷面影像仿真局解圖像（圖2A-2C為掌面觀、圖2D為背面觀）,骨間前（右箭）、后動脈顯像,掌深弓（下箭）、掌淺弓（燕尾箭）、頭靜脈（虛尾箭）、貴要靜脈（燕尾形）

圖3 腕多發(fā)玻璃異物患者,閾值分別為-100 Hu（圖3A）、0 Hu（圖3B）、50 Hu（圖3C）和原始橫斷面影像（圖3D）時橫切面觀,清晰展示腕管解剖:由屈肌支持帶（腕橫韌帶,下箭,繞側附著于舟骨結節(jié)和大多角骨結節(jié)、尺側附著于豌豆骨和鉤狀骨）和腕骨圍成,通過4條指淺屈肌腱、4條指深屈肌腱、拇長屈肌腱及其腱鞘（右箭）、正中神經(jīng)、尺側囊等結構,腕管前外方為尺動脈與尺神經(jīng)（左箭）。上箭為橈動脈。

各角度與視野觀的3D成像,淋巴管均未見有效重建、成像與顯示。但均準確測量了所顯示結構的大小、長度、深度、間隔等,清晰揭示了腕部區(qū)域異物及異物周圍這些骨骼、皮膚、血管、肌肉尤其肌腱與韌帶等組織結構及損傷情況,腕部筋膜間隙積液、腕管內(nèi)肌腱腱鞘腫脹、關節(jié)脫位、骨折、神經(jīng)壓迫等改變均準確顯示,可靠提供了異物形態(tài)、邊緣、粗細、長度及其與毗鄰組織結構的位置關系3D圖像與數(shù)據(jù),準確顯示了異物并發(fā)的局部感染、肉芽形成、血腫及其機化情況,由此可準確判斷異物介入摘除術的可行性和難易程度,指導治療方針尤其切口、入路、路徑、深度、鉗取方向、力度等的選擇與優(yōu)化。

3 討論

腕數(shù)字化模型構建已見于解剖結構可視化,尤其腕部的薄層斷面切片數(shù)據(jù)[12]和尸體CT斷層數(shù)據(jù)[13]的報道,基于活體CT薄層斷面影像的數(shù)字化腕模型尚未見報道。本研究通過對異物患者腕部螺旋CT薄層斷面圖像進行序貫閾值調(diào)節(jié)的VR成像,實現(xiàn)了腕部無創(chuàng)性3D CT仿真解剖成像,成功建立了真實性更高的活體數(shù)字化腕模型,進一步利用電子刀技術實現(xiàn)了在體活體無創(chuàng)性仿真解剖與斷層。本研究結果顯示,腕部掌面觀、背面觀圖像100%地逐層3D顯示了皮膚、皮下靜脈、伸屈肌腱、關節(jié)、骨骼,而所有動脈、深部靜脈僅100%地分別顯示在基于增強動脈期、靜脈期掃描源影像的3D圖像上,這與平掃動脈及深部靜脈缺乏有效密度對比有關; 腕管這一骨纖維性隧道及通行組織與毗鄰解剖結構僅100%地顯示在3D斷面觀圖像上,而在掌面觀、背面觀圖像上無法有效成像與顯示,這可能與3D可視化觀測角度有效選擇有關; 淋巴管在各角度與視野觀圖像上未能有效重建、成像與顯示,這可能與其結構細小、缺乏足夠密度差異與對比有關。本研究同時顯示,這些3D成像準確測量了所顯示結構的大小、長度、深度與距離等,清晰揭示了腕部區(qū)域異物及異物周圍這些骨骼、皮膚、血管、肌肉尤其肌腱與韌帶,圖像逼真、立體、直觀、形象、動態(tài)、便捷且可任意重復。

本研究活體數(shù)字化腕模型的成功建立,不僅精確評估了腕部區(qū)域異物、毗鄰組織結構及損傷情況,指導了治療尤其微創(chuàng)介入治療的有效決策,降低了治療風險與并發(fā)癥,提高了治療的臨床效果與安全性,而且提供了腕管綜合征（腕管狹窄癥,腕部骨折、脫位、扭傷或勞損等引起的腕橫韌帶增厚、管內(nèi)肌健腫脹、瘀血、機化或腕骨退變增生、管內(nèi)腔縮小而致的正中神經(jīng)壓迫）、骨間掌側神經(jīng)卡壓綜合征的形態(tài)學診斷。這些數(shù)字化解剖模型建立與仿真解剖,是疾病診斷、治療尤其在定位、導向、模擬手術、術后隨訪、手術教學與針灸穴位研究的無創(chuàng)性有效手段[14],同時也有望為催生人體數(shù)字化解剖學、實現(xiàn)了仿真解剖、解剖無尸化與解剖在體活體化做出進一步貢獻。眾所周知,解剖學是醫(yī)學重要課程,尸解、動物解剖是解剖學的重要內(nèi)容和必須過程,但其與活體的差異性和尸體標本的缺乏、刺眼刺鼻的甲醛氣體、人們對解剖動物的愛憫,往往影響、制約解剖學學習與發(fā)展,虛擬現(xiàn)實和活體仿真解剖技術完全克服了上述缺陷,而且仿真解剖過程逼真、直觀和任意重復,可反復使用、重復觀察,經(jīng)濟、方便、無需尸體,有望有效緩解尸體標本的缺乏、降低了教學成本、提高教學質(zhì)量和減少尸解、動物解剖操作,是尸解、動物解剖的有效補充手段。

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