數(shù)字化組織瓣的虛擬臨床解剖學(xué)測量

黎健偉 雷蕾 金丹* 趙輝 胡稷杰 王鋼 余斌

（1.南方醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，廣州510515；2.佛山軍分區(qū)城門頭干休所衛(wèi)生所，廣東佛山528000）

本研究選取供血動脈比較恒定的腓腸肌皮瓣和髂骨瓣進行解剖學(xué)測量，比較氧化鉛灌注標(biāo)本CT掃描方法和血管造影CT掃描方法重建的數(shù)字化組織瓣模型測量所得數(shù)據(jù)是否與傳統(tǒng)尸體標(biāo)本解剖數(shù)據(jù)存在差異，是否真實、準(zhǔn)確地反映實體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，可否為多媒體顯微外科解剖學(xué)教學(xué)以及臨床應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 新鮮尸體灌注標(biāo)本CCTT掃描圖像的三維重建

新鮮捐獻成人尸體標(biāo)本2具，血管正常，無明顯周圍血管病變和瘢痕，采用Tang和Chen[1]改良的明膠-氧化鉛灌注方法經(jīng)腹主動脈進行灌注，灌注前后均對全身行連續(xù)螺旋CT掃描，掃描條件：120 KV，110 mA，參數(shù)：層厚0.5 mm，矩陣512×512。應(yīng)用Amira4.1軟件從掃描的Dicom格式的圖像數(shù)據(jù)中提取組織瓣各結(jié)構(gòu)、生成面片，然后進行“光滑表面”和“去除島嶼”處理，對輪廓線進行適當(dāng)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，并制成視頻資料進行動態(tài)觀察。

1.2 正常成人血管造影CCTT掃描圖像的三維重建

健康成人志愿者6人，男女各3人，取得患者知情同意，費用由本課題組支出。螺旋CT掃描前確定碘過敏試驗陰性，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：碘普羅胺0.623 g/ml，碘300 mg/ml，廣州先靈藥業(yè)有限公司）90 ml，注射速度3.5 ml/s，自動監(jiān)測，手動觸發(fā)。CT掃描參數(shù)：120 KV、200 mA；層厚0.5 mm（可拆為0.891 mm的原始圖像），將數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)出。二維灰度Dicom格式的圖像以三維數(shù)據(jù)形式進行存儲，應(yīng)用Amira4.1軟件對組織瓣血管、肌肉和骨骼等進行表面重建或容積重建，并將數(shù)據(jù)單獨保存。不同組織根據(jù)構(gòu)圖需要進行著色，一般骨為白色、血管為紅色、肌肉為黃色，之后進行“光滑表面”或“透明化”修飾，以便觀察所建的皮膚表面結(jié)構(gòu)、內(nèi)部血管形態(tài)以及兩者間的毗鄰關(guān)系，并制作視頻資料進行動態(tài)觀察。

1.3 圖像測量

應(yīng)用Amira4.1軟件自帶的測量工具（2D/3D直尺、2D/3D量角器）測量數(shù)字化組織瓣模型中供血動脈、皮瓣、骨瓣等部位的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

2.1 氧化鉛灌注標(biāo)本CCTT掃描圖像的三維重建

腓腸肌皮瓣模型顯示（圖1A）：腓腸肌內(nèi)側(cè)動脈起始處與穿支點的距離平均1.8 cm，重建的穿支血管數(shù)平均為5條，外徑為0.3~0.8 mm，主干血管外徑平均2.6 mm。髂骨瓣模型顯示（圖1B）：旋髂深動脈起點距髂前上棘的距離平均4.2 cm，旋髂深動脈主干外徑平均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。氧化鉛灌注標(biāo)本CT掃描圖像的三維重建技術(shù)，可顯示組織瓣主要供血動脈，還可清晰顯示皮膚、肌肉等組織器官內(nèi)的小血管網(wǎng)分布狀況，但過多過密地顯示組織瓣周圍血管網(wǎng)會遮蓋主要大血管，以致難以辨別組織瓣的主要供血范圍（圖2）。

2.2 血管造影CCTT掃描圖像的三維重建

腓腸肌皮瓣模型顯示（圖3A）：腓腸肌內(nèi)側(cè)動脈

應(yīng)用Amira4.1軟件自帶的測量工具（2D/3D直尺、2D/3D量角器）測量數(shù)字化組織瓣模型中供血動脈、皮瓣、骨瓣等部位的數(shù)據(jù)。起始處與穿支點的距離平均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，血管外徑平均為2.0 mm。髂骨瓣模型顯示（圖3B）：旋髂深動脈起點距髂前上嵴的距離平均5.2 cm，旋髂深動脈主干外徑平均為2.2 mm，髂嵴內(nèi)段穿支血管數(shù)平均為2條，外徑為0.2～0.5 mm。CT血管造影術(shù)三維構(gòu)建的組織瓣模型與尸體解剖結(jié)構(gòu)相符，可清晰顯示皮瓣的主要供血動脈走行和分布，但部分穿支血管顯像不清，只能手工重建，對皮瓣供血范圍的顯示還需軟件升級（圖3）。

2.3 數(shù)字化組織瓣模型的虛擬測量數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)尸體解剖數(shù)據(jù)比較

根據(jù)兩種方法重建的組織瓣模型應(yīng)用Amira4.1軟件自帶測量工具進行測量，并與傳統(tǒng)尸體解剖學(xué)數(shù)據(jù)進行比較[2-5]。氧化鉛灌注可清楚顯示細小穿支血管以及血管網(wǎng)分布，但血管外徑較正常血管外徑范圍大，主要是由于尸體標(biāo)本加壓灌注使血管擴張所致；CT血管造影血管外徑在正常血管外徑范圍內(nèi)，但均偏小，主要是由于CT三維重建時應(yīng)用軟件進行圖像分割和光滑處理所造成的偏差（表1、2）。

3 討論

獲取骨科解剖學(xué)參數(shù)的方法有2種：①借助傳統(tǒng)尸體解剖的實際測量方法；②目前新型的影像學(xué)測量方法。傳統(tǒng)解剖是一種侵入性過程，被解剖過的尸體無法將器官及損傷還原，以往研究骨質(zhì)和髓腔形態(tài)多采用鑄型的方法，采用石蠟和石膏，先灌注，其次剖開骨質(zhì)進行投影測量，操作過程復(fù)雜，但鑄型在制作過程中極易損壞或鑄型不全，很可能影響測量值的準(zhǔn)確性和可靠性。尸體解剖方法測量關(guān)節(jié)假體的參數(shù)有一定困難[6,7]，而假體與股骨髓腔的匹配程度是實現(xiàn)理想的力學(xué)傳導(dǎo)和獲得假體長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵，可見解剖數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對假體設(shè)計尤為重要。傳統(tǒng)X線片拍攝過程中的影響因素較多，如投照時中心、角度、距離的不確定性，且受放大率和患者體位的影響，容易出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，降低了測量的精確性。CT掃描技術(shù)可以提供斷層影像，可層面顯示解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，但傳統(tǒng)CT圖像三維重建的缺點包括：①不能導(dǎo)出通用的三維圖形格式，因而不能應(yīng)用于其他計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件，也不能應(yīng)用于計算機輔助外科手術(shù)計劃[8]；② CT以組織密度值區(qū)別不同的組織，對骨或造影血管等密度差異明顯的組織顯示較好，而對密度差異不明顯的組織很難辨別，不能很好的表現(xiàn)生物組織結(jié)構(gòu)。

表1 數(shù)字化腓腸肌皮瓣模型的測量數(shù)據(jù)

表2 數(shù)字化旋髂深動脈髂骨瓣模型的測量數(shù)據(jù)

近年來，CT/MRI三維重建在創(chuàng)傷骨科的應(yīng)用已積累了豐富的文獻資料[9]，包括輔助診斷，解剖學(xué)觀察及參數(shù)測量，輔助手術(shù)設(shè)計，以及基于CT/MRI三維重建的快速成形技術(shù)[10,11]和生物力學(xué)分析等。三維CT可提供一種更精確地測量方法，用活體股骨近端CT三維重建后的模型進行股骨近端髓腔形態(tài)的計算機分析測量，為中國人假體置換或設(shè)計提供股骨近端解剖形態(tài)學(xué)方面的參考[12]。螺旋CT連續(xù)掃描獲得的數(shù)據(jù)是多平面重建、三維表面重建、最大密度投影技術(shù)的基礎(chǔ)，利用計算機的后處理軟件，在軸位CT圖像基礎(chǔ)上進行再次重建處理，以更直觀的方式顯示病變與周圍結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，彌補軸位圖像的不足。目前，螺旋CT掃描同時即可獲取高質(zhì)量多平面重建、容積重建、最大和最小密度投影等后處理圖像，可直接獲得相應(yīng)的二維和三維圖像，應(yīng)用極為便捷。數(shù)據(jù)工作流程的高效自動化使多層CT成像流程得到很大程度優(yōu)化，大大節(jié)省人工操作的時間，大幅度提高工作效率[13]。

3.1 虛擬解剖測量

虛擬解剖是一種非侵入性的新型“解剖”技術(shù)，它利用影像學(xué)技術(shù)構(gòu)建人體器官組織的三維立體圖像，三維CT重建能夠真實反映骨骼的解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)和實際大小，提供豐富的骨骼圖像信息，可進行全方位多角度測量。該方法的優(yōu)點為：①實用有效、測量項目全面、操作簡捷；② 測量數(shù)據(jù)誤差微小、準(zhǔn)確度高且穩(wěn)定可靠；③可以直接從活體得到大量數(shù)據(jù)，適用范圍廣闊。CT、MRI數(shù)據(jù)和數(shù)字技術(shù)通過計算機重建人體組織結(jié)構(gòu)的三維模型可真實反應(yīng)人體的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)[14-16]，對重建的三維結(jié)構(gòu)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(shù)，可以用于臨床輔助診斷、輔助手術(shù)設(shè)計、手術(shù)模擬，以及教學(xué)和臨床培訓(xùn)等方面。采用現(xiàn)代影像學(xué)、電腦圖形圖像處理、計算醫(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、動態(tài)的組織瓣解剖學(xué)基礎(chǔ)，將單調(diào)的二維式解剖圖譜教學(xué)由平面變?yōu)榱Ⅲw，由靜態(tài)變動態(tài)，由單面變多面，對解剖學(xué)教學(xué)和臨床教學(xué)訓(xùn)練均有很大幫助[17-19]。

CT三維重建模型不僅可以還原解剖部位的真實形態(tài)，還能對解剖部位進行任一面切割，進行相關(guān)參數(shù)分析[20]。由于虛擬解剖測量更直接，數(shù)據(jù)獲得更準(zhǔn)確，因而可進行大樣本統(tǒng)計測量[21,22]。利用數(shù)字分析法對虛擬解剖數(shù)據(jù)進行反復(fù)數(shù)字運算，可減少尸體標(biāo)本的解剖分割。骨骼系統(tǒng)的虛擬解剖測量僅是虛擬解剖學(xué)的一個分支，更先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)也應(yīng)用于醫(yī)學(xué)解剖中，將一些圖像源如CT、MRI、解剖斷層圖像進行三維重建，使操作者處于虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，通過視覺、聽覺和觸覺進行解剖學(xué)研究和學(xué)習(xí)。掃描數(shù)據(jù)的后處理軟件和臨床應(yīng)用軟件可進一步拓展螺旋CT掃描數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，提高三維CT檢查的應(yīng)用價值。臨床應(yīng)用上主要體現(xiàn)在輔助診斷、計算機輔助外科、放療計劃和虛擬內(nèi)窺鏡等方面。

隨著現(xiàn)代高速交通運輸以及高層建筑等行業(yè)的迅速發(fā)展，多發(fā)傷及復(fù)雜骨折的發(fā)生率升高。骨科醫(yī)師對骨骼解剖已非常明晰，且三維CT也提供了進一步的影像信息，但作出全面診斷仍十分困難[23]。本研究基于傳統(tǒng)CT圖像處理，再進行三維圖形技術(shù)重建數(shù)字組織瓣三維模型，可以輸出多種三維軟件（如3D Med和3D Slicer軟件，Amira、3D doctor和Mimics等商業(yè)軟件）通用的格式，以供后繼的計算機輔助設(shè)計、有限元分析、虛擬現(xiàn)實以及計算機輔助外科計劃研究使用。

3.2 血管造影數(shù)據(jù)集的特點

CT血管造影的優(yōu)勢：① 個體化，無創(chuàng)傷、無痛苦，操作安全、簡便、快捷，價格相對低廉等；② 可以在后期重建中顯示靜脈；③三維構(gòu)建無需標(biāo)本，取材方便，所得圖像與實體解剖結(jié)構(gòu)相符，不僅適用臨床解剖教學(xué)和訓(xùn)練，也適用于臨床術(shù)前模擬和手術(shù)設(shè)計。CT血管造影的局限性：①無鑒別血流方向的軟件功能，無法對動靜脈血管進行分離，需要主觀辨別、分離主要動靜脈，不能利用設(shè)備本身建立獨立的靜脈系統(tǒng)圖像，為靜脈系統(tǒng)形態(tài)觀察帶來不利；②穿支血管和細小神經(jīng)組織顯示欠佳；③螺旋CT掃描是立體容積掃描，其數(shù)據(jù)采集和獲得的信息是連續(xù)、不間斷的，興趣結(jié)構(gòu)位置的移動會獲得不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致成像誤差[24]。

3.3 氧化鉛灌注數(shù)據(jù)集的特點

氧化鉛灌注的優(yōu)勢：①全身血管造影簡便易行，可清晰顯示皮膚、肌肉等組織器官內(nèi)的血管分布狀況，尤其是皮膚內(nèi)的小血管網(wǎng)及其相互間的關(guān)系[25]；②二維圖像能清晰顯示脈管及其分支、穿支，立體感強，血管感官性好，對血管的分辨精度可以精細到0.2 mm，三維圖像可清晰顯示穿支血管解剖結(jié)構(gòu)；③利用電腦圖像處理技術(shù)，可精確測量每一支皮動脈的分布范圍，有利于皮瓣的基礎(chǔ)研究與臨床外科皮瓣的應(yīng)用設(shè)計。氧化鉛灌注的局限性：①新鮮尸體標(biāo)本來源不足，造影劑為重金屬，有一定毒性；②血管內(nèi)灌注大量造影劑后，在CT掃描圖像上與骨骼的CT值相接近，難以通過計算機自動識別骨骼，不利于骨胳的3D可視化研究；③對血管進行三維重建時，選取組織不宜過多，否則密集的小血管將把中央一些重要的較大血管遮蓋，反而難以分清解剖結(jié)構(gòu)；④僅顯示動脈，不能顯示神經(jīng)組織，無法進行連續(xù)斷層解剖學(xué)研究，重建模型的使用具有局限性。

目前，以虛擬人切片構(gòu)建的股前外側(cè)皮瓣、背闊肌皮瓣、足背皮瓣等數(shù)字化皮瓣，可見皮膚與動脈關(guān)系清晰、實體感強，可直觀、立體地顯示其形態(tài)學(xué)特征，其應(yīng)用于臨床訓(xùn)練與教學(xué)已取得滿意結(jié)果[26-33]。合理利用現(xiàn)有CT影像學(xué)技術(shù)，并對所得到的的數(shù)據(jù)資料進行圖像處理、三維重建是目前最為簡易、有效的操作形式。測量重建的三維結(jié)構(gòu)模型，獲得長度、面積、體積和角度等大量精確的解剖參數(shù)，可為顯微外科的教學(xué)提供臨床教材，也可用于臨床輔助診斷、輔助手術(shù)設(shè)計和手術(shù)模擬等。精確顯示生物組織復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，為組織瓣的臨床手術(shù)應(yīng)用提供了更精細的參考數(shù)據(jù)[34]。同時，我們應(yīng)重視利用三維重建技術(shù)對組織瓣進行形態(tài)學(xué)測量研究中因數(shù)據(jù)丟失而造成模型的誤差。雖然CT影像學(xué)資料可真實反應(yīng)人體數(shù)據(jù)，在重建骨骼模型時可忽略細微誤差，但應(yīng)用于細小的組織瓣血管重建時，應(yīng)考慮患者呼吸、體位和造影劑等對采集數(shù)據(jù)的影響，以及所應(yīng)用CT儀器的標(biāo)準(zhǔn)模塊是否合適，重建模型時應(yīng)盡量減少圖像分割、除噪和光滑等引起的偏差，重建后實際測量時也要避免測量中出現(xiàn)誤差[35]。

[1]Tang XL,Chen X.A method of constant-rate perfusion for studying the renal vascular resistance of rats(author's transl).Zhongguo Yao Li Xue Bao,1981.2(3):166-169.

[2]鄭和平,康慶林,張發(fā)惠.旋髂深動脈嵌合組織瓣的解剖學(xué)基礎(chǔ).中國臨床解剖學(xué)雜志,2008,26(1):3-7.

[3]胡稷杰,金丹,趙輝,等.游離穿支皮瓣修復(fù)足踝部軟組織缺損的臨床效果.中國骨與關(guān)節(jié)外科,2012,5(4):348-351.

[4]胥少汀,葛寶豐,徐印坎.實用骨科學(xué).第三版.北京:人民軍醫(yī)出版社,2004:1932-1935.

[5]劉洋,游浩,李明輝,等.高選擇血管造影擬定股骨頸骨折分型標(biāo)準(zhǔn)的初步探討.中國骨與關(guān)節(jié)外科,2010,3(2):133-137.

[6]G?tze C,Vieth V,Meier N,et al.CT-based accuracy of implanting custom-made endoprostheses.Clin Biomech,2005,20(8):856-862.

[7]Adam F,Hammer DS,Pape D,et al.Femoral anatomy,computed tomography and computer-aided desin of prosthetic implants.Arch Orthop Trauma Surg,2002,122(5):262-268.

[8]馬衛(wèi)華,張樹棟,王詩軍,等.骨盆CT三維重建下髖臼形態(tài)的初步研究.中國骨與關(guān)節(jié)外科,2009,2(1):35-39.

[9]Lo LJ,Chen YR.Computer-aided reconstruction of traumatic fronto-orbital osseous defects:aesthetic considerations.Chang Gung Med J,2004,27(4):283-291.

[10]李鑒軼,張美超,趙衛(wèi)東,等.激光三維掃描重建骨形態(tài)在解剖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.四川解剖學(xué)雜志,2005,13(3):30-31.

[11]劉怡,張洪定,崔欣,等.虛擬現(xiàn)實VRML程序設(shè)計.天津:南開大學(xué)出版社,2007:1-3.

[12]王巖,周飛虎,周勇剛,等.國人正常膝關(guān)節(jié)三維幾何形態(tài)測量及相關(guān)研究.中國矯形外科雜志,2004,12(8):617-628.

[13]Thomas GF,Schaller S,Stierstorfer K,et al.Multi-detector CT systems and image-reconstruction techniques.Radiology,2005,235(3):756-773.

[14]Friedl R,Preisack MB,Klas W,et al.Virtual reality and 3D visualizations in heart surgery education.Heart Surg Forum,2002,5(3):17-21.

[15]Haluck RS,Krummel TM.Computers and virtual reality for surgical education in the 21st century.Arch Surg,2000,135(7):786-792.

[16]Warrick PA,Funnell WR.A VRML-based anatomical visualization tool for medical education.IEEE Trans Inf Technol Biomed,1998,2(2):55-61.

[17]Hounnou GM,Uhl JF,Plaisant O,et al.Morphometry by computerized three-dimensional reconstruction of the hypogastric plexus of a human fetus.Surg Radiol Anat,2003,25(1):21-31.

[18]Choplin RH,Buckwalter KA,Rydberg J,et al.CT with 3D rendering of the tendons of the foot and ankle:technique,normal anatomy,and disease.Radiographics,2004,24(2):343-356.

[19]Gibson S,Fyock C,Grimson E,et al.Volumetric object modeling for surgical simulation.Med Image Anal,1998,2(2):121-132.

[20]吳愷,楊茂偉,都承斐.人體足踝部有限元模型的建立及有效性分析.中國骨與關(guān)節(jié)外科,2012,5(4):352-356.

[21]Kaneuji A,Matsumoto T,Nishino M,et al.Three-dimensional morphological analysis of the proximal femoral canal,using computer-aided design system,in Japanese patients with osteoarthrosis of the hip.J Orthop Sci,2000,5(4):361-368.

[22]Villain N,Goussard Y,Idier J,et al.Three-dimensional edge-preserving image enhancement for computed tomography.IEEE Trans Med Imaging,2003,22(10):1275-1287.

[23]M Cimerman,A Kristan.Preoperative planning in pelvic and acetabular surgery:the value of advanced computerised planning modules.Pelvic and Acetabular Surgery,2007,38(4):442-449.

[24]豆勇剛,余斌,鐘梅,等.三種人體數(shù)據(jù)集的腓骨瓣三維可視化應(yīng)用研究.中華創(chuàng)傷骨科雜志,2008,10(7):647-650.

[25]Lou XF,Mei J,Tang M.Modified lead oxide-gelatin injection technique for angiography.Chinese Journal of Clinical Anatomy,2006,24(2):259-262.

[26]Zhang YZ,Li YB,Tang ML,et al.Application of three-dimensional digitalized reconstruction of an anterolateral thigh flap and an arterial dorsalis pedis flap.Microsurgery,2007,27(6):553-559.

[27]徐凱,裴國獻,張元智,等.基于個人計算機對足背供區(qū)移植皮瓣的三維可視化設(shè)計.中國組織工程研究與臨床康復(fù),2007,11(25):4879-4882.

[28]裴國獻,張元智.數(shù)字骨科學(xué)：一門骨科學(xué)新分支的萌生.中華創(chuàng)傷骨科雜志,2007,9(7):601-603.

[29]Zhang YZ,Li YB,Jiang YH,et al.Three-dimensional reconstructive methods in the visualization of anterolateral thigh flap.Surg RadiolAnat,2008,30(1):77-81.

[30]金丹,張元智,徐凱,等.數(shù)字化虛擬可視重建在顯微外科骨瓣、肌骨瓣教學(xué)中的初步應(yīng)用.中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2008,22(3):432-435.

[31]任義軍,任高宏,金丹,等.數(shù)字化股前外側(cè)骨瓣的可視技術(shù)在臨床中的初步應(yīng)用.中華創(chuàng)傷骨科,2008,10(5):2.29.

[32]張元智,李嚴(yán)兵,唐茂林,等.數(shù)字化與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在皮瓣移植中的應(yīng)用.中華創(chuàng)傷骨科雜志,2006,8(6):501-504.

[33]Zhang YZ,Li YB,Tang ML,et al.Application of three-dimensional digitalized reconstruction of an anterolateral thigh flap and an arterial dorsalis pedis flap.Microsurgery,2007,27(6):553-559.

[34]裴國獻.數(shù)字骨科學(xué)概念與臨床初步應(yīng)用.中華創(chuàng)傷骨科雜志,2008,10(2):101-102.

[35]周飛虎,王巖,周勇剛.國人正常股骨遠端三維模型及骨形態(tài)測量研究.中國臨床康復(fù),2005,9(6):62-65.