交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)（MIMICS）在頜面部骨折手術(shù)中的應(yīng)用研究

劉 楊，塔依爾·阿力甫，居來提·吐爾遜，姚志濤，阿迪力江·賽買提，張永富，買買提吐遜·吐爾地

?頜面美容?

交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)（MIMICS）在頜面部骨折手術(shù)中的應(yīng)用研究

劉 楊，塔依爾·阿力甫，居來提·吐爾遜，姚志濤，阿迪力江·賽買提，張永富，買買提吐遜·吐爾地

（新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院頜面部創(chuàng)傷正頜外科 新疆 烏魯木齊 830054）

目的：探討交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)輔助頜面部骨折手術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值。為陳舊性的創(chuàng)傷性頜面部不對(duì)稱患者及嚴(yán)重骨折患者術(shù)前精確設(shè)計(jì)手術(shù)方案及達(dá)到術(shù)后良好效果提供可靠依據(jù)。方法：對(duì)18例擬進(jìn)行頜面部骨折復(fù)位的創(chuàng)傷患者頭面部三維CT斷層掃描圖像,識(shí)別確定重建對(duì)象,對(duì)骨組織采用灰度閾值法進(jìn)行自動(dòng)重建；采用MIMICS軟件對(duì)獲取的醫(yī)學(xué)信息進(jìn)行建模。根據(jù)頜面創(chuàng)傷外科醫(yī)生制訂的方案在模型中完成手術(shù)的模擬和骨折斷端鏡像重建，預(yù)測(cè)骨折斷端的正常位置恢復(fù)頜面部的對(duì)稱性。結(jié)果：完成了頜面骨組織的患者頭面部三維重建模型。鏡像模擬了頜骨骨折復(fù)位手術(shù)移動(dòng)骨斷端過程，預(yù)測(cè)骨折復(fù)位的正常解剖位置，并且以動(dòng)態(tài)動(dòng)畫形式演示,可從任意角度進(jìn)行觀察。實(shí)現(xiàn)了頜面部創(chuàng)傷手術(shù)中骨折斷端復(fù)位的正確指導(dǎo)，術(shù)后骨組織移位的可視化預(yù)測(cè)。結(jié)論：利用醫(yī)學(xué)影像資料,采用MIMICS軟件可實(shí)現(xiàn)人頭面部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維重建和鏡像模擬，可以動(dòng)態(tài)形式完成頜面部骨折手術(shù)的模擬復(fù)位，尤其對(duì)陳舊性、多發(fā)性骨折的術(shù)前預(yù)測(cè)骨折斷端的復(fù)位精度，并提高了骨折復(fù)位的準(zhǔn)確度和精度?？稍谟?jì)算機(jī)屏幕前制定手術(shù)方案，進(jìn)行手術(shù)醫(yī)師術(shù)前手術(shù)評(píng)估和預(yù)測(cè)，提高了頜面部骨折手術(shù)的有效性、精確性和矯治效果。

MIMICS；骨折；頜面創(chuàng)傷；鏡像；可視化；骨折復(fù)位

21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步及其應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛擴(kuò)展，各類醫(yī)用工程軟件應(yīng)運(yùn)而生。交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)(Materialise’s interactive medical image control system，MIMICS)軟件是由比利時(shí)Materialise公司研發(fā)的一款集快速原型技術(shù)和逆向工程技術(shù)于一體的醫(yī)用三維圖像處理軟件，可用于臨床診斷、手術(shù)方案制定、手術(shù)模擬等領(lǐng)域。口腔頜面部是人體的暴露部分，易受外力而導(dǎo)致頜面部骨折，比較常見的有交通事故、高空墜落、擊打、爆炸、極少數(shù)可由醫(yī)源性因素導(dǎo)致?lián)p傷[1]。頜骨解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此常導(dǎo)致嚴(yán)重的多發(fā)性骨折。如何從宏觀及全局的視角制定有效的手術(shù)方案，很大程度上決定著骨折復(fù)位的精確性，也成為臨床醫(yī)師們關(guān)心和研究的課題之一。因此，筆者科室使用MIMICS軟件對(duì)18例擬行骨折復(fù)位手術(shù)的頜面部多發(fā)骨折患者的影像資料進(jìn)行三維重建、鏡像模擬、以動(dòng)態(tài)形式完成頜面部骨折手術(shù)的模擬復(fù)位，以探討 MIMICS在頜面部骨折復(fù)位手術(shù)中的臨床價(jià)值。

1 資料和方法

1.1 臨床資料：研究對(duì)象均選自2014年1月-2016年6月于新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院頜面部創(chuàng)傷正頜外科就診的患者。本組共18例，其中男14例，女4例，平均年齡為31.5歲，其中1例女性為未成年人。有研究表明頜面部骨折男性發(fā)病率明顯高于女性[2]。上述對(duì)象其中車禍致傷9例、高處墜落致傷5例、重物砸傷4例。具體見表1。

1.2 方法

1.2.1 CT采集數(shù)據(jù)：患者入院后于疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像中心CT室進(jìn)行三維螺旋無增強(qiáng)掃描。所采用設(shè)備為美國GE公司生產(chǎn)的64排螺旋CT掃描機(jī)(GE-Lightspeed plus 64) 及其工作站(GE Advantage Workstation 4.0)。掃描范圍自顱頂處始，至下頜骨下緣止；三維螺旋CT的掃描數(shù)據(jù)以DICOM (digital imaging and communication in medicine)格式輸出，并使用光盤保存。

1.2.2 三維模型重建：將所需的建模范圍選擇為自顱頂?shù)较骂M骨下緣所在的斷層，三維CT獲得的醫(yī)學(xué)信息資料直接導(dǎo)入MIMICS 軟件中。完成建模后，可以STL格式文件輸出并保存所得三維可視化虛擬模型。

1.2.3 鏡像（Mirroring）：在交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)（MIMICS）中的simulation模塊將所建立的三維可視化虛擬模型打開并進(jìn)行3D模型計(jì)算，將所需要的骨折斷端使用該軟件中的分割工具進(jìn)行切分，把健側(cè)連續(xù)性完好的骨端鏡像致患側(cè)，并將所分離出的患側(cè)骨折斷端以所得的鏡像數(shù)據(jù)作為參照進(jìn)行移動(dòng)、復(fù)位恢復(fù)其正常的解剖形態(tài)。

1.2.4 模擬手術(shù)：根據(jù)患者的病史資料、體征、曲面斷層片、CT影像等資料，由經(jīng)驗(yàn)豐富的頜面外科醫(yī)師，并經(jīng)科室讀片討論后制訂最終手術(shù)方案。通過MIMICS軟件移動(dòng)骨折斷端，反復(fù)模擬復(fù)位、測(cè)量分析，確定骨折斷端移動(dòng)距離。并通過MIMICS軟件界面動(dòng)態(tài)鏡像的預(yù)測(cè)演示術(shù)后的復(fù)位效果。利用快速成型技術(shù)將之前所得鏡像后數(shù)據(jù)制作三維頭顱模型，在三維頭顱模型上預(yù)彎骨折內(nèi)固定鈦板，用于術(shù)中引導(dǎo)骨折復(fù)位。

表1 18例頜面部骨折患者一般資料統(tǒng)計(jì) （例）

1.3 術(shù)后效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：針對(duì)頜面部骨折的復(fù)雜性，可以從骨折斷端復(fù)位程度，面部外形恢復(fù)的患者滿意度，張口度，咬牙合關(guān)系的恢復(fù)，患者視力、眼球動(dòng)度、有無復(fù)視等方面進(jìn)行術(shù)后效果的評(píng)價(jià)，結(jié)合以上指標(biāo)根據(jù)患者術(shù)后1周及術(shù)后3個(gè)月內(nèi)定期隨訪復(fù)診結(jié)果進(jìn)行分級(jí)評(píng)估。優(yōu)：骨折斷端復(fù)位良好，面部外形恢復(fù)良好，張口度正常，無張口受限（開口度大于4cm或三橫指），咬牙合關(guān)系正常，患者視力、眼球活動(dòng)度正常，無復(fù)視；良：骨折斷端復(fù)位良好，面部外形恢復(fù)基本滿意，張口輕度受限（開口度3～4cm或兩橫指），咬合關(guān)系欠佳（有輕微前牙開牙合、個(gè)別牙錯(cuò)牙合），患者視力正常、無復(fù)視、但眼球活動(dòng)度欠佳；差：骨折斷端未復(fù)位，錯(cuò)位愈合，面部外形恢復(fù)差，張口受限（開口度小于3cm或一橫指），存在明顯錯(cuò)牙合畸形并嚴(yán)重影響咀嚼，患者視力、眼球動(dòng)度異常并伴復(fù)視等癥狀。

2 結(jié)果

術(shù)后1個(gè)月隨訪，結(jié)果見表2。

表2 18例頜面部骨折患者術(shù)后1個(gè)月療效統(tǒng)計(jì) （例）

3 典型病例

患者，男，32歲，半月前因車禍致頭面部外傷。傷后患者有昏迷癥狀，CT顯示：右側(cè)額顳硬膜外血腫、左側(cè)顳葉腦挫裂傷、右側(cè)面部多發(fā)骨折，遂由神經(jīng)外科先行收治。患者生命體征平穩(wěn)后轉(zhuǎn)至筆者科室，該患者CT可見：右側(cè)顴骨顴弓多發(fā)骨折、右上頜骨多發(fā)骨折（右側(cè)眶外側(cè)緣眶下緣骨折、右上頜竇前壁骨折）（見圖1～2）。臨床癥狀：該患者雙側(cè)面部不對(duì)稱，右側(cè)面部明顯塌陷；于右側(cè)顴骨顴弓、眶外側(cè)緣眶上緣、上頜竇前壁可觸及多處臺(tái)階感；中度張口受限。將該患者螺旋CT原始數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入MIMICS中進(jìn)行三維重建，獲得STL格式的三維可視化虛擬模型（見圖3）。將骨折區(qū)域進(jìn)行分割（見圖4）照文中所述步驟進(jìn)行鏡像模擬（見圖5）。由有經(jīng)驗(yàn)的頜面外科醫(yī)師反復(fù)研究觀看模擬手術(shù)并按照術(shù)前方案，通過術(shù)前預(yù)先彎制的骨折內(nèi)固定鈦板引導(dǎo)復(fù)位，實(shí)施精確骨折復(fù)位手術(shù)。該患者術(shù)后1個(gè)月隨訪復(fù)查，CT結(jié)果示：骨折斷端均復(fù)位良好（見圖6）。患者張口度、咬牙合關(guān)系均恢復(fù)良好，達(dá)正常水平。

圖1 頜面部CT橫斷位平掃

圖2 頜面部CT冠狀位平掃

圖3 MIMICS重建三維可視化虛擬模型

圖4 骨折區(qū)域分割提取

圖5 鏡像模擬后的三維模型

圖6 術(shù)后三維重建模型

4 討論

口腔頜面部生理解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜決定了該部位骨折的復(fù)雜性，其骨骼有別于軀干等部位,形態(tài)各異、精巧且較為薄弱，毗鄰顱底，同時(shí)又是構(gòu)成口腔、鼻腔與眼眶的骨性支架。其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性加之受力大小、方向、部位的不同又決定了該部位發(fā)生骨折的類型多樣性。一般頜面部骨折患者多伴有顱腦損傷、多臟器損傷等較為嚴(yán)重且危及生命的并發(fā)癥。待患者生命體征平穩(wěn)轉(zhuǎn)入頜面外科就診時(shí)，頜面部骨折多發(fā)展為錯(cuò)位愈合，一定程度上影響患者頜面部形態(tài)、口腔功能的恢復(fù)，更是加大了骨折復(fù)位手術(shù)的難度。傳統(tǒng)手術(shù)模式中術(shù)者憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)位，手術(shù)操作時(shí)間長，難以準(zhǔn)確復(fù)位解剖結(jié)構(gòu)。并且常常導(dǎo)致術(shù)后瘢痕、神經(jīng)損傷等并發(fā)癥，影響預(yù)后效果，與準(zhǔn)確重建頜面部外形及功能的要求存在一定的距離[3-4]。針對(duì)此種現(xiàn)實(shí)情況，更加突顯了交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)輔助頜面部骨折手術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值。

目前,國內(nèi)外利用CT、MRI等進(jìn)行三維重建已研究多年，其研究成果正初步運(yùn)用于臨床，其中最具代表性的就是醫(yī)學(xué)圖像三維可視化技術(shù)。通過三維重建二維數(shù)據(jù)達(dá)到重構(gòu)人體的器官組織及病變部位的目的，從而提高了醫(yī)療診斷和治療的精確性和科學(xué)性。醫(yī)學(xué)圖像三維可視化在提供醫(yī)生診斷信息、模擬手術(shù)、臨床診斷和治療方面都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其是顱頜面創(chuàng)傷領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[5-7]。

螺旋CT三維圖像可以使臨床醫(yī)師更加直觀地了解三維立體空間的實(shí)際大小、形態(tài)、位置及周圍組織的立體解剖關(guān)系[8]，但存在一定的弊端，例如：重建過程中數(shù)據(jù)丟失造成假性骨折線、空洞征等。mimics軟件則是實(shí)現(xiàn)生物體CT數(shù)據(jù)直接到3D模型的“無縫銜接工具”。它基于螺旋CT斷層掃描得到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，利用其強(qiáng)大的自動(dòng)三維建模功能使原始圖像無需進(jìn)行任何形式轉(zhuǎn)換，減少了建模過程中的人為因素，使得所建幾何模型外形更加逼真、精確[9-10]。

利用mimics所重建的三維可視化模型不僅逼真、精確，還可以任意進(jìn)行動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行多角度觀察，并能顯示不同解剖層面的細(xì)微結(jié)構(gòu)，可供術(shù)者多方位了解骨折斷端情況。通過模擬手術(shù)功能所得動(dòng)畫視頻可以供術(shù)者反復(fù)研究觀看熟悉手術(shù)方案及骨折斷端復(fù)位路徑。此外，該軟件還可進(jìn)行骨折斷端復(fù)位后的軟組織形變的預(yù)測(cè)。本研究中利用mimics進(jìn)行手術(shù)模擬，不僅提高了臨床醫(yī)師手術(shù)方案制定的科學(xué)性、手術(shù)實(shí)施的精確性、手術(shù)成功率、手術(shù)效果的患者滿意度，還可以向患者及其家屬演示手術(shù)過程和預(yù)期效果，改變傳統(tǒng)醫(yī)患交流模式，使醫(yī)患交流有質(zhì)的改變，從而可以很大程度上避免誤解、矛盾甚至醫(yī)患糾紛。

綜上所述，交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)（MIMICS）在頜面外科臨床工作中發(fā)揮著不可替代的作用。雖然該軟件也具有一定的局限性，例如：頜面部多發(fā)骨折（非單側(cè)，過中線）無法使用鏡像功能等，但其作為傳統(tǒng)外科向數(shù)字化外科發(fā)展的橋梁，值得廣大臨床醫(yī)師應(yīng)用并探索其潛在的功能，使其進(jìn)一步為醫(yī)療、教學(xué)、醫(yī)患溝通等方面的高效化提供支持和保障。

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Application of Materialise’s Interactive Medical Image Control System (MIMICS) in the Maxillo-facial Trauma Surgery

LIU Yang, Tayier·ALIFU, Julaiti·TU’ERXUN,YAO Zhi-tao,Adilijiang·SAIMAITI, ZHANG Yongfu,Maimaitituxun·TU’ERDI
(Department of Oral Maxillofacial Surgery,First Teaching Hospital, Xinjiang Medical University,Urumqi 830054, Xinjiang,China)

Objective To evaluate the value of Materialise’s Interactive Medical Image Control System (MIMICS) in the computer aided surgery. To offer a reliable system for precise surgical planning and good effect of maxillo-facial trauma surgery.MethodsBased on CT images, geometric characteristics of 18 patients’ head were collected for a 3D reconstruction of the human head. Skull, maxilla, mandibula and zygomatic bone were reconstructed and optimized separately by MIMICS 10.01. Surgeries were simulated and the reduction of the diviated bony deformation was predicted according to the surgical planning of experienced maxillo-facial trauma surgeon.ResultsMesh of skull, maxilla, mandibula and zygomatic bone was constructed manually for 18 patients. Surgical procedures were simulated and the prediction of hard tissue deformation was realized by MIMICS, which could be visualized in any angle.ConclusionMIMICS is a helpful digital tool for computer aided trauma surgery and the prediction of fracture reduction. MIMICS is also a 3D visualization system for maxillo-facial trauma surgeries, by which surgeons could realize the surgical planning, revising, and pre-op plan making on the computer screen.

MIMICS;fracture; maxillo-facial trauma surgery; visualization; mirroring; fracture reduction

R782.2

A

1008-6455（2017）02-0081-03

2016-11-15

2016-12-30

編輯/李陽利

買買提吐遜?吐爾地，男，維吾爾族，副教授、副主任醫(yī)師、研究生導(dǎo)師；E-mail：529849593@qq.com