數字化穿支皮瓣標本的設計與制作

郭東銘 謝 巍 譚建國 曹宇輝 姚 婕 鄧南星 周小兵

(南華大學人體形態(tài)中心, 衡陽 421001)

隨著數字化技術的迅速發(fā)展,數字化穿支皮瓣標本的設計與制作已逐漸成為臨床皮瓣設計的重要輔助手段。傳統(tǒng)的標本剝制技術耗時長、破壞性大,標本不能重復使用,難以顯示皮膚微血管立體構筑。Saint-Cyr等[1]于2009年對不同部位的多個單穿支進行了選擇性血管造影,并利用CT自配軟件首次繪制出3D可視化皮瓣。而隨著三維數字化技術在人體解剖學研究中的廣泛應用[2-6],唐茂林等[7-9]、周小兵等[10-12]將造影劑氧化鉛與明膠、羧甲基纖維素(carboxymethylcellulose, CMC)配制成混合填充劑進行人體血管灌注,通過CT數據重建血管三維圖像,成功地將數字化圖像處理技術引入到全身動脈三維可視化研究。然而，該方法在皮膚血管灌注顯示上仍然存在不足。本研究結合明膠-氧化鉛灌注技術的優(yōu)點,采用多點分部灌注,選擇羧甲基纖維素/氧化鉛水凝膠及乳膠-羧甲基纖維素/氧化鉛混合造影填充劑分量行全身動脈造影,經X線攝影、CT掃描采集數據,利用Mimics軟件制做動脈穿支皮瓣的三維重建,為臨床外科皮瓣的設計提供可靠的科研數據。

1 材料和方法

1.1 標本的采集與插管灌注點的選擇

選取身高155～170cm非外傷性死亡成人新鮮尸體標本6具,男性3具、女性3具,年齡以青壯年最佳(20～45歲)。在雙側頸動脈三角、肱二頭肌內側溝及腹股溝韌帶內側稍下方分別找到頸總動脈、肱動脈及股動脈,并在腹腔找到腹主動脈,分別切開管壁行向心及離心插管,隨后灌注少量氨水(NH3·H2O)約100ml。然后用注射器灌注空氣持續(xù)沖洗,直至從靜脈流出清澈液體后,再將標本移入盛有40℃恒溫水貯槽中待灌注。

1.2 造影填充劑的配制

用燒杯取500ml蒸餾水置于40℃～50℃的恒溫箱中,加入CMC 25g,充分攪拌溶解后,置于40℃的恒溫箱中備用。100ml蒸餾水中加入氧化鉛125g攪拌混勻后,配成氧化鉛稀釋液,以紗布過濾備用。隨后取CMC母液400ml,氧化鉛稀釋液100ml,充分攪勻,最終混合成CMC氧化鉛造影填充劑。取標膠乳膠CMC懸液共100ml，其中取橡膠乳膠-CMC懸浮液共100ml,其中乳膠溶液與CMC溶液比例為1∶1,再在其中加入25g氧化鉛,配制成乳膠-CMC/氧化鉛混合造影填充劑。這2種造影填充劑中氧化鉛的的濃度均為25%。

1.3 血管造影劑灌注

四肢、頭頸部動脈行離心插管灌注乳膠-CMC/氧化鉛混合造影填充劑300～500ml,軀干內臟動脈在腹主動脈行向心方向插管灌注CMC/氧化鉛造影劑400～600ml。

1.4 放射顯影CT掃描

按常規(guī)CT掃描條件： 512×512重建矩陣,0.5層厚,無間距連續(xù)掃描,窗位35～40、窗寬250～300。X線攝影條件： 53kV,50mA, 1/20s,線器濾(-)清晰地顯示體壁的血管分布狀況。獲取CT圖像以二維dicom格式輸入電子計算機,作為人體血管數據集資料加以存儲保存。

2 結果

經CMC氧化鉛及乳膠-CMC與氧化鉛合成的造影填充劑灌注后的人體各部血管,在X線或CT掃描下血管填充良好、顯影清晰，無中斷、空泡產生;血管邊緣光滑連續(xù);最小顯示血管達0.10mm左右。然后運行Mimics 17.0軟件分割工具分別對骨骼、動脈及軟組織進行提取,并分別進行體重建、表面重建,重建后各部血管三維圖像清晰、連續(xù),立體空間感強烈,并可多角度旋轉觀察。

2.1 頭面部動脈血管X線及穿支皮瓣三維重建

頭面部動脈造影在X線或CT掃描下血管顯像清晰(圖1A,見封三)。而以剝脫皮膚CT數據構建了頭面皮膚微血管數字模型,在三維視圖上不僅可清晰顯示面動脈、顳淺動脈及其分支,諸如顳淺動脈、眶上動脈等小動脈亦清晰可辨(圖1B,見封三)。采用表面重建的方法,分別劃分出面動脈、額動脈、顳淺動脈、耳后動脈和枕動脈的解剖供血區(qū)域,重建后各區(qū)域中的血管三維圖像結構清晰,層次分明,空間位置關系明了(圖1C,見封三)。

2.2 盆腔血管X線及腹前壁多組織穿支皮瓣三維可視化

對于盆腔及腹前壁多組織動脈顯示,在灌注CMC-氧化鉛造影劑后經掃描就可以達到理想的動脈顯影效果(圖2A,見封三)。為了清晰地顯示盆腔血管及腹前壁多組織三維空間結構,便于對穿支進行定位,有必要對一些標志性結構,如： 臍、骨以及淺筋膜層等分別進行三維重建。重建后可清晰顯示旋髂深動脈、旋髂淺動脈、髂腰動脈、腰動脈及其分支(圖2B,見封三)。Mimics 17.0軟件還可對所需組織進行單獨配色及三維重建(圖2C,見封三)。

2.3 四肢及手前臂血管三維重建

運用Mimics 17.0軟件,對四肢及手、足部各結構進行圖像分割;利用閾值法、形態(tài)運算、布朗運算、Mask(面罩)編輯等方法,將感興趣區(qū)如血管、皮膚、骨骼分割成不同的Mask,分割后可清晰透視骨骼、血管、筋膜等配布狀況,真實感強,仿真度高(圖3，見封三)。

3 討論

3.1 血管造影灌注材料選擇的意義

血管造影的效果主要取決于造影劑與載體的選擇,選用乳膠、羧甲基纖維素作為氧化鉛造影劑的載體優(yōu)點在于顆粒小、流動性好,比較容易灌注到微小血管,常用于頭面部、四肢及手、足部位灌注。軀干內臟器官或大管徑血管用羧甲基纖維素/氧化鉛混合造影填充劑灌注,同時結合多點分步灌注可獲得高質量的血管顯影圖像。灌注后經CT掃描顯示最小管徑達到0.1mm 左右,較原來顯示至0.40mm的血管管徑有所突破,該方法是重建數字化穿支皮瓣的前提和保障,使構建的穿支血管數目、走行、分布范圍更加清晰逼真,對外科術前的皮瓣設計及教學研究具有重要意義。

3.2 三維重建數字化皮瓣血管的臨床意義

利用數字技術將掃描后的二維圖像轉換為三維數字化模型,通過面重建的方法重建某些重要的大血管,重建后模型表面美觀、空間位置清晰,適用于觀察該部位的結構外形及毗鄰關系;而利用體重建構建的模型結構更加精確,適于復雜的、血管體之間吻合的微小結構的重建,因此正確的重建方法是獲得準確而真實的數字模型的保障,而高質量的血管圖像是數字化模型重建的前提。分層體重建技術可以追蹤各穿支動脈的來源血管并可直觀形象地顯示供區(qū)皮穿支動脈的大小、走行方向、分布范圍、吻合情況。此外,結合透明觀察分層體重建技術單獨或搭配顯示不僅能夠精確、直觀地反映骨骼、血管、肌肉等內部三維結構及其毗鄰的空間位置關系,而且還可以在三維空間對圖像進行任意地顯示、測量、旋轉、切割、重組和縮放。三維可視化數字模型能夠對所需結構部位進行定量分析和動態(tài)模擬,實現術前三維診斷和模擬手術,有助于手術方案的制定并縮短手術時間,提高術后效果評價,為手術的順利進行提供安全性和可靠性。