應(yīng)用mimics軟件重建環(huán)杓關(guān)節(jié)三維CT圖像△

李儉 王帆 孫欣 王麗萍

環(huán)杓關(guān)節(jié)是由環(huán)狀軟骨板上部的關(guān)節(jié)面與杓狀軟骨底部的關(guān)節(jié)面構(gòu)成，對(duì)聲門的開閉起重要作用。環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位是臨床上聲帶運(yùn)動(dòng)障礙的常見原因之一，多見于氣管插管后[1],及時(shí)確診環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位，并正確判斷脫位方向，對(duì)環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位的治療尤為重要。臨床上多根據(jù)患者氣管插管病史、喉鏡檢查結(jié)果等診斷環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位；但以上方法并不能形象反映環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位的方向及程度等。三維CT可仿真表現(xiàn)內(nèi)在解剖結(jié)構(gòu)的立體關(guān)系，但由于杓狀軟骨較小，鈣化或骨化程度不同，其形態(tài)、大小、存在正常差異等因素，降低了CT診斷環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位的特異性和敏感性[2]。為了更好的應(yīng)用CT圖像仿真建立環(huán)杓關(guān)節(jié)的立體結(jié)構(gòu)，以利于環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位的診斷，近來(lái)應(yīng)用mimics及Geomagic studio軟件進(jìn)行了環(huán)杓關(guān)節(jié)的三維圖像重建，效果較好，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1研究對(duì)象 選取無(wú)喉部疾病且喉部結(jié)構(gòu)正常，因頸椎病、鼾癥等進(jìn)行頸部CT或上氣道三維CT檢查的患者120例為研究對(duì)象，其中，男性58例，女性62例；均經(jīng)電子喉鏡檢查排除聲帶運(yùn)動(dòng)障礙，CT檢查排除了環(huán)狀軟骨、杓狀軟骨病變。年齡19～84歲，平均47.05±15.45歲，其中18歲1例、19歲1例、20～29歲16例、30～39歲30例、40～49歲16例、50～59歲26例、60～69歲22例、70～79歲6例、82歲1例、84歲1例。

1.2喉部CT檢查方法 患者仰臥位，頸過伸，禁止咳嗽及吞咽，掃描范圍自舌骨下緣至環(huán)狀軟骨平面，在平靜呼吸狀態(tài)下，層厚1 mm，管電壓120 kV, 管電流采用自動(dòng)探測(cè)技術(shù)。

1.3mimics軟件三維重建環(huán)杓關(guān)節(jié)方法 將患者喉部CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入比利時(shí)Materialise公司的交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)mimics17.0中，軟組織窗選取軟骨密度(CT值148)或者骨密度(CT值226)進(jìn)行標(biāo)記，形成模板(mask)(圖1)，對(duì)環(huán)狀軟骨及杓狀軟骨骨化不佳的部分，根據(jù)CT平掃圖像手動(dòng)標(biāo)記(圖2)，刪除甲狀軟骨等干擾部分，對(duì)增加標(biāo)記后的模板計(jì)算形成3D圖像。將所生成3D圖像使用Geomagic studio 9.0軟件進(jìn)行曲面修飾，得到最終環(huán)杓關(guān)節(jié)3D圖像(圖3)，分別對(duì)正面、左右側(cè)面、背面、上面觀圖像進(jìn)行觀察，以都能觀察到杓狀軟骨與環(huán)狀軟骨騎跨關(guān)系記為圖像觀察成功。

圖1 刪除甲狀軟骨等標(biāo)記的模板(綠色標(biāo)記)

圖2 針對(duì)杓狀軟骨和環(huán)狀軟骨圖像對(duì)未標(biāo)記部分進(jìn)行手工標(biāo)記圖(綠色標(biāo)記)

2 結(jié)果

120例患者中有104例(86.67%)通過mimics和Geomagic studio軟件成功重建了環(huán)杓關(guān)節(jié)三維圖像(圖3)，但其中絕大多數(shù)患者存在不同程度的環(huán)狀軟骨和杓狀軟骨模板中標(biāo)記不完全，需要根據(jù)原始圖像進(jìn)行局部手工描繪標(biāo)記。模板CT值定為226(骨組織)的54例(51.92%，54/104)，CT值為148(軟骨組織)的42例(40.38%，42/104)，小于148的4例，CT值為148和226之間的2例，大于226的2例；CT閾值≤148的患者比例(44.23%，46/104)低于CT閾值≥226的患者比例(53.85%，56/104)，兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)；另有16例患者雖然反復(fù)調(diào)整窗寬窗位仍無(wú)法辨別出明確的杓狀軟骨或環(huán)狀軟骨輪廓，無(wú)法進(jìn)行描記和重建，其中18、19歲各1例，20～29歲8例(8/16),30～39歲4例(4/30),70～79歲2例(2/6)。

3 討論

聲帶運(yùn)動(dòng)障礙的常見原因是聲帶麻痹與環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位，兩者雖然臨床表現(xiàn)相似，但是病因病理完全不同，治療方法也截然不同，兩者的鑒別診斷是正確及時(shí)治療的前提。既往，環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位的診斷多根據(jù)病史，如：氣管插管后出現(xiàn)的聲帶運(yùn)動(dòng)障礙，多考慮環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位[1，3，4]，但如果患者是由于頸部或縱膈等喉返神經(jīng)走行區(qū)域病變接受氣管插管全麻手術(shù)，術(shù)后出現(xiàn)聲帶運(yùn)動(dòng)障礙時(shí)，則依據(jù)病史不易鑒別環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位與聲帶麻痹[5]。喉肌電圖被用來(lái)鑒別診斷環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位與聲帶麻痹，但喉肌電圖并不能顯示脫位方向,而且一部分環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位患者的喉肌電圖也存在異常[1，6]。目前，多根據(jù)喉鏡檢查時(shí)杓狀軟骨的位置經(jīng)驗(yàn)性判斷環(huán)杓關(guān)節(jié)是否存在脫位及脫位的方向，但電子喉鏡或頻閃喉鏡檢查也存在聲門暴露不佳，檢查過程中攝像移位造成誤差等影響診斷的問題[7]。曾有學(xué)者應(yīng)用多層螺旋CT對(duì)環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位進(jìn)行診斷，通過正常環(huán)杓關(guān)節(jié)左右對(duì)稱這一特點(diǎn)，認(rèn)為當(dāng)螺旋CT中左右杓狀軟骨聲帶突不對(duì)稱時(shí)可考慮環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位[8]，但當(dāng)掃描體位不正或嚴(yán)重脫位時(shí)，同一軸面有可能不能同時(shí)顯示兩側(cè)杓狀軟骨聲帶突，易造成假陽(yáng)性或假陰性結(jié)果，因而多層螺旋CT在環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位的診斷中臨床應(yīng)用并不多。

應(yīng)用CT圖像仿真三維重建可以更好的觀察杓狀軟骨和環(huán)狀軟骨的位置關(guān)系及環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位的方向、程度，從而更好的診斷與鑒別診斷環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位。既往CT檢查環(huán)杓關(guān)節(jié)的難點(diǎn)是杓狀軟骨骨化或鈣化不佳，在三維重建后很難與周圍軟組織區(qū)分，而且由于環(huán)杓關(guān)節(jié)位于后方，容易被甲狀軟骨、環(huán)甲關(guān)節(jié)等干擾。本研究通過mimics軟件，利用合適的CT閾值，標(biāo)記出杓狀軟骨及一些其他軟骨結(jié)構(gòu)后，首先在CT平掃圖像中去除環(huán)狀軟骨及杓狀軟骨以外的標(biāo)記結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行三維重建，使重建后的結(jié)構(gòu)中只有環(huán)狀軟骨與杓狀軟骨，避免了干擾，能更好的反映二者之間的立體關(guān)系，便于環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位的診斷。從文中結(jié)果看，120例患者中86.67%(104/120)的患者成功重建了環(huán)杓關(guān)節(jié)三維CT圖像，能清晰顯示環(huán)杓關(guān)節(jié)的正面、背面及上面觀的圖像。

圖3 標(biāo)記后的環(huán)狀軟骨和杓狀軟骨三維重建圖像

想建立良好的三維立體結(jié)構(gòu)，首先需要一個(gè)高質(zhì)量的螺旋CT原始圖像，掃描層次越薄圖像質(zhì)量越佳，但是相應(yīng)地患者所要接受的掃描時(shí)間也越長(zhǎng)，接受的輻射劑量相對(duì)越多，本研究發(fā)現(xiàn)層厚1 mm的圖像即可建立良好的環(huán)杓關(guān)節(jié)立體結(jié)構(gòu)，無(wú)需更薄層CT。在使用mimics進(jìn)行三維重建之前，首先要設(shè)定CT閾值范圍建立模板，本研究中最初分別設(shè)定的是骨密度和軟組織密度兩個(gè)模板，發(fā)現(xiàn)成功建立三維CT圖像的104例患者中杓狀軟骨的CT閾值≤148(軟骨組織)的共46例(44.23%)，CT閾值≥226(骨組織)的共56例(53.85%)，二者之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，所以在環(huán)杓關(guān)節(jié)三維CT圖像建立過程中，首選骨組織閾值，如果發(fā)現(xiàn)大部分無(wú)法標(biāo)記，則調(diào)整為軟骨組織閾值，或在此基礎(chǔ)上調(diào)整，但仍然有部分杓狀軟骨無(wú)法重建，故研究中使用了mimics軟件的手工描繪功能將平掃圖上沒能標(biāo)記的軟骨部分描記，同時(shí)，為了避免三維計(jì)算后出現(xiàn)的立體圖像中有其他結(jié)構(gòu)干擾，通過手工刪除功能去掉了模板中甲狀軟骨和舌骨等已標(biāo)記部分，僅保留杓狀軟骨與環(huán)狀軟骨，從而使三維計(jì)算后建立的立體結(jié)構(gòu)中環(huán)杓關(guān)節(jié)不會(huì)被其他結(jié)構(gòu)干擾成像。但mimics建立的三維結(jié)構(gòu)由于是有限元，是一個(gè)個(gè)小模塊組建成的立體結(jié)構(gòu)，邊緣不夠圓滑，故研究中再使用Geomagic軟件對(duì)立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修飾，從而得到了更理想的三維結(jié)構(gòu)。

文中結(jié)果也提示，10～19歲患者中相對(duì)環(huán)狀軟骨和杓狀軟骨與周圍軟組織CT閾值相似，無(wú)法分辨者比例最高(2/2)，20～39歲和70歲以上次之；這可能與隨著年齡增長(zhǎng)，軟骨經(jīng)歷了透明軟骨逐漸鈣化骨化再到老年期逐漸衰老有關(guān)[9]。

本研究通過對(duì)正常環(huán)杓關(guān)節(jié)的三維重建，探討了較為理想的建立環(huán)杓關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)的方法，今后將進(jìn)一步探討此方法在環(huán)杓關(guān)節(jié)全脫位及半脫位診斷與鑒別診斷中的應(yīng)用價(jià)值，建立環(huán)杓關(guān)節(jié)脫位的模型，更好地模擬復(fù)位效果，以指導(dǎo)臨床工作。