人體上臂組織及肘關(guān)節(jié)的三維數(shù)字化構(gòu)建

解秉霖，黃潮桐，李敬礦，宋江濤，鮑蘇蘇，邱文超，李忠華，鐘世鎮(zhèn)

基礎(chǔ)研究

人體上臂組織及肘關(guān)節(jié)的三維數(shù)字化構(gòu)建

解秉霖，黃潮桐，李敬礦，宋江濤，鮑蘇蘇，邱文超，李忠華，鐘世鎮(zhèn)

目的運用計算機三維重建技術(shù)構(gòu)建人體上臂組織及肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和形態(tài)的數(shù)字化模型。方法男性成人新鮮尸體上肢標(biāo)本2例，常溫下灌注顯影劑后行CT掃描，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 13.1、MIPAV、FREEFORM軟件中，分別對上臂皮膚、骨骼、血管及肘各關(guān)節(jié)進(jìn)行三維構(gòu)建。結(jié)果上臂組織及肘關(guān)節(jié)的三維數(shù)字化重建圖像清晰、真實、動態(tài)地顯示上臂皮膚、骨骼、血管及肘部各關(guān)節(jié)的外觀及毗鄰關(guān)系。結(jié)論數(shù)字化上臂組織及肘部各關(guān)節(jié)三維可視化仿真模型的構(gòu)建，為骨科臨床與教學(xué)提供了數(shù)字化三維形態(tài)學(xué)依據(jù)。

上臂；皮膚；血管；骨骼；肘關(guān)節(jié)；體層攝影術(shù)，X線計算機；圖像處理，計算機輔助

隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)目前已全方位、多角度地滲透到醫(yī)學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域。就骨科領(lǐng)域而言，可視人[1]、數(shù)字化虛擬人[2]等數(shù)字解剖學(xué)技術(shù)正深刻地影響著該學(xué)科的基礎(chǔ)和臨床研究。將人體的骨組織結(jié)構(gòu)數(shù)字化與可視化，已成為骨科領(lǐng)域一個新的研究熱點。但迄今為止，對人體上臂及肘部關(guān)節(jié)的數(shù)字化與可視化研究鮮有報道。我們運用計算機三維重建技術(shù)構(gòu)建人體上臂組織及肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和形態(tài)的數(shù)字化模型，旨在為數(shù)字骨科領(lǐng)域提供數(shù)字化三維形態(tài)學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本來源

完好無損的男性成人新鮮尸體上肢標(biāo)本2例（南方醫(yī)科大學(xué)解剖教研室提供）。

1.2 標(biāo)本灌注

1.2.1 灌注劑 硫化汞（顯影劑）10～15 g，鄰苯二甲酸二丁酯30 mL，自凝牙托粉32～35 g，自凝牙托水66～69 mL[3]。

1.2.2 灌注方法 常溫下將各灌注劑混合均勻后即刻用20 mL醫(yī)用塑料注射器注入肱動脈，30 min內(nèi)連續(xù)緩慢灌注完畢。之后采用靜脈注入法進(jìn)行標(biāo)本的防腐固定處理。

1.3 數(shù)據(jù)采集

灌注完成后冷藏24 h，采用TOSHIBA/ AQUILONI螺旋CT掃描。掃描參數(shù)：電壓120 kV，電流100 mA，層厚0.5 mm，矩陣512×512，共獲取1 439層數(shù)據(jù)，以DICOM格式保存。

1.4 數(shù)據(jù)建圖

圖1 二維視窗

1.4.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 將保存數(shù)據(jù)以DICOM格式分別導(dǎo)入Mimics 13.1、MIPAV、FREEFORM軟件，并對不同序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行項目融合和方向設(shè)置，使其進(jìn)入二維視窗（圖1）。1.4.2 Mimics 13.1軟件下對皮膚、骨骼與血管的提取 首先運用Mimics 13.1軟件分割模塊中的閾值轉(zhuǎn)換工具對上肢皮膚進(jìn)行合適的灰度值選?。?960～116 HU）。在皮膚上運用工具模塊中的剖面線進(jìn)行皮膚定位，同時用復(fù)合標(biāo)記工具給予不同顏色并進(jìn)行區(qū)域增長，遂去除無關(guān)的組織顯影，用涂抹工具逐層掃掉殘存的雜質(zhì)陰影，完成皮膚的二維建圖。然后就上肢骨骼與血管選取合適的灰度值（160～2 981 HU），同樣先用剖面線定位骨骼，消除與骨骼不相連的體素，掃掉血管標(biāo)記，完成骨骼二維建圖。在此基礎(chǔ)上運用減除工具剪掉骨骼，獲得血管二維建圖；分別對肱骨、尺骨、橈骨采用上述方法，獲得肘關(guān)節(jié)二維建圖。

1.4.3 Mimics13.1軟件下對肘部關(guān)節(jié)的提取 對肘部關(guān)節(jié)的提取也是骨骼提取的一部分，首先在骨骼提取成功的基礎(chǔ)上，分別對肱骨、橈骨、尺骨進(jìn)行剖面線定位，在定位其中1塊骨骼的基礎(chǔ)上，先用涂抹工具掃掉與其相連的其它骨骼體素，再進(jìn)行顏色改換，即可完成二維建圖；然后用同樣方法分別完成另外兩塊骨骼的二維建圖。待肱骨、橈骨及尺骨各自二維建圖完成后，就可以在三維視窗下進(jìn)行肘部各關(guān)節(jié)的構(gòu)建。

1.4.4 MIPAV、FREEFORM軟件下對肌肉的操作將二維上臂CT圖像導(dǎo)入MIPAV軟件，使用軟件中的交互式水平集工具處理CT圖像中的肌肉輪廓：即在1張CT圖像的肌肉與皮膚交界處尋找適合的起點，并根據(jù)不同起點的特征實時計算出輪廓線，最后人工選擇出最適合的，作為這張CT圖像肌肉的輪廓線。獲得每1張CT圖像肌肉的輪廓線后，使用邏輯運算的方法，將圖像中輪廓線以內(nèi)像素點的像素值予以保留，而輪廓線外的點則賦予背景色。逐層圖像標(biāo)識后進(jìn)行三維可視化圖像重建，得到STL格式的面模型。另外運用閾值分割方法將CT圖像中的血管和骨骼提取出來，并進(jìn)行面重建，得到血管和骨骼的STL格式面模型。再次把數(shù)據(jù)導(dǎo)入FREEFORM軟件（用于手動光滑打磨），使用Phantom工具對這些血管、肌肉和骨骼的STL格式面模型中不平整的面進(jìn)行平滑處理。最后將3個模型一同載入FREEFORM軟件，通過透明化表面網(wǎng)格或選擇性顯示模型的方式顯示所需數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

2.1 上臂皮膚的三維重建

運用三維工具將建成的皮膚二維成圖置入三維視窗初級成圖，通過調(diào)色工具將其轉(zhuǎn)換成與實體相接近的顏色，再用光滑工具進(jìn)行打磨，建成質(zhì)感很強的皮膚三維圖（圖2，3）。不但可以任意旋轉(zhuǎn)不同角度、不同方向，還可進(jìn)行模型透視（圖4，5）及多剖面顯示（圖6）。

2.2 上臂骨骼的三維重建

運用上述方法在三維視窗下重建上臂整體骨骼（圖7），用不同顏色單獨顯示肱骨、尺骨、橈骨（圖8），從不同角度、不同方向清晰顯示各骨骼的外觀及其毗鄰關(guān)系，較解剖圖譜更加形象、生動；同時還可在三維視窗下測量肱骨、尺骨、橈骨的表面積、體積以及三角片的數(shù)量（表1）。

2.3 肘部多關(guān)節(jié)的三維重建

三維重建后肘部三大關(guān)節(jié)可單獨顯示（圖9）。

2.4 上臂血管的三維重建

三維重建后可清楚、真實、準(zhǔn)確地顯示上臂各血管的走行（圖10）。

2.5 上臂肌肉整體的三維重建

三維重建后可顯示上臂整體肌肉輪廓以及肌肉的三維透視結(jié)果（圖11）。

圖2 三維上肢皮膚視圖 圖3三維上臂及肘部皮膚視圖 圖4三維上肢皮膚透視圖 圖5三維上臂及肘部皮膚透視圖 圖6三維上臂橫截面視圖 圖7三維視圖下上肢骨骼與解剖圖譜的對比

圖8 上臂骨骼的數(shù)字化三維重建 8A在三維下肱骨、尺骨、橈骨不同顏色整體顯示 8B獨立顯示肱骨 8C獨立顯示尺骨 8D獨立顯示橈骨

圖9 三維視圖下上臂三大關(guān)節(jié)的獨立顯示 9A肱橈關(guān)節(jié) 9B肱尺關(guān)節(jié) 9C橈尺近側(cè)關(guān)節(jié) 圖10上臂及肘部血管走形遠(yuǎn)近觀 圖11上臂肌肉的三維重建 11A血管在肌肉中的走行 11B光滑后的肌肉 11C肌肉透視圖

表1 上臂骨骼的表面積、體積、三角片的數(shù)量

3 討論

熟練掌握上肢骨與關(guān)節(jié)的功能解剖，對于骨科醫(yī)生而言是必需的。盡管三維CT提供了進(jìn)一步的上肢影像學(xué)信息，但要完全理解上臂骨與關(guān)節(jié)損傷的三維信息，依然是一個難點[4]，目前數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展為臨床骨科醫(yī)師提供了這種可能。

復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院左煥琛等[5]于20世紀(jì)80年代末將計算機三維重建應(yīng)用于手的解剖學(xué)研究；第三軍醫(yī)大學(xué)張紹祥等[6]報道了手掌部動脈的微型計算機三維重建；解放軍第二五一醫(yī)院的白桂有等[7-8]建立完整的成人手?jǐn)?shù)據(jù)集；廣東醫(yī)學(xué)院的留成勝[9]等對前臂動脈穿支皮瓣進(jìn)行數(shù)字化模型構(gòu)建。國外學(xué)者亦通過CT掃描對腕骨進(jìn)行三維重建和準(zhǔn)確測量[10-11]。這些早期的手部研究為上臂及肘部的數(shù)字化三維重建提供了很好的參考依據(jù)。但其三維圖形均以切面圖像數(shù)據(jù)為主，在臨床及教學(xué)應(yīng)用中圖像真實感欠佳，難以推廣。

我們通過灌注化學(xué)造影劑后的CT掃描來采集圖像，運用Mimics 13.1、MIPAV、FREEFORM軟件進(jìn)行二維圖像灰度值選擇、剖面線定位、區(qū)域增長、掃除雜影等，進(jìn)而獲得精準(zhǔn)、形象、真實、質(zhì)感很強的三維重建圖像。這種方法簡單、方便、易行，可操作強，同時還具有方便醫(yī)學(xué)教學(xué)[12-13]、節(jié)省經(jīng)費、易于激發(fā)學(xué)生興趣等優(yōu)點。

3.1 上臂及肘關(guān)節(jié)的數(shù)字化重建方法

3.1.1 上臂皮膚、骨骼、血管的三維重建 運用Mimics 13.1軟件對上臂皮膚、骨骼和血管進(jìn)行三維重建，重建的三維圖譜不僅可以實現(xiàn)實時任意方向的重切片、單獨與聯(lián)合顯示、任意旋轉(zhuǎn)等操作，還可憑借3D LiveWire功能保留輪廓線和移動軌跡點，進(jìn)行中心線斷面、圓周長以及延伸的面上距離的測量等等。重建上臂及肘關(guān)節(jié)后的三維圖像真實感強，仿真度高[14]，尤其是肘關(guān)節(jié)，外觀、相鄰關(guān)系清晰準(zhǔn)確。

3.1.2 上臂肌肉的三維重建 Kober等[15]認(rèn)為，MRI檢查對肌肉的顯示效果好，但重建的三維效果視圖與CT相差無異，只能整體顯示。本研究最初運用Mimics 13.1軟件對肌肉進(jìn)行三維成像，但二維視窗單層下肌肉輪廓重疊多，各肌層之間難以區(qū)分，構(gòu)建效果并不理想。遂改用MIPAV、FREEFORM軟件，借助MIPAV軟件具有交互式水平集分割的特點構(gòu)建整體輪廓，通過FREEFORM軟件將整體提取肌肉的粗糙面打磨光滑，獲得的圖像可清晰顯示上臂整體肌肉輪廓以及肌肉的三維透視結(jié)果。但本法僅限于構(gòu)建肌肉整體輪廓，對于具體、獨立的每塊肌肉、肌纖維，難以單獨進(jìn)行提取。

3.2 上臂及肘關(guān)節(jié)三維數(shù)字化構(gòu)建的意義

上臂及肘關(guān)節(jié)損傷臨床上比較常見，將患者的CT二維圖像利用數(shù)字技術(shù)快速轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字化模型，不僅能夠精確、直觀地反映上臂和肘關(guān)節(jié)骨骼、血管、肌肉等的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)及其毗鄰的空間位置關(guān)系，而且還可以在三維空間對圖像進(jìn)行任意地顯示、測量、旋轉(zhuǎn)、切割、重組和縮放，通過三維可視化數(shù)字模型進(jìn)行定量分析和動態(tài)模擬，實現(xiàn)三維診斷分析和模擬手術(shù)。這些都將有助于手術(shù)方案的制定，并可于術(shù)前對術(shù)后效果進(jìn)行預(yù)覽和評價，為手術(shù)的順利進(jìn)行提供保障，縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)安全性和可靠性，對術(shù)后并發(fā)癥的降低以及臨床療效的改善具有重要意義。此外，確立科學(xué)的量化指標(biāo)，使上臂及肘關(guān)節(jié)組織的研究從定性向三維定量研究發(fā)展，從二維解剖結(jié)構(gòu)向三維解剖結(jié)構(gòu)結(jié)合生理功能同步研究發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上建立上臂及肘關(guān)節(jié)損傷的三維重建模型，開展計算機輔助設(shè)計與快速成型技術(shù)，這有可能成為未來上臂及肘關(guān)節(jié)診治新的發(fā)展方向。

此類研究的不足之處在于這種數(shù)字化三維重建對周圍神經(jīng)顯示仍無好的對策[16]，對筋膜、脂肪單位以及每塊肌肉的具體構(gòu)建，甚至于對肌纖維、微血管這些細(xì)小結(jié)構(gòu)的三維重建都是數(shù)字骨科技術(shù)中的難題[17]，需要我們進(jìn)一步深入研究和探索。

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3D digital construction of human upper arm and elbow joint

XIE Binglin,HUANG Chaotong,LI Jingkuang,SONG Jiangtao,BAO Susu,QIU Wenchao,LI Zhonghua, ZHONG Shizhen.Graduate School of Guangdong Medical College,Zhanjiang,Guangdong 524023,China

HUANG Chaotong,E-mail:myhct@medmail.com.cn

Objective To build a digital model of structure and morphology of human upper arm and elbow joint by computer based 3D reconstruction techniques.Methods Two human forearm specimens harvested from male adult fresh cadavers were infused with the constrast at room temperature and scanned by CT.The data were imported into the medical image processing software Mimics 13.1,MIPAV and FREEFORM,and then the skin, bones,blood vessels and elbow joint of upper arm were constructed respectively.Result 3D digital reconstruction images of upper arm and elbow joint provided their appearance and surrounding relations clearly,truly and dynamically.Conclusion Construction of 3D visual simulation model of human upper arm and elbow joint provides 3D digital morphological data for orthopaedic clinical and teaching practices.

Upper arm;Skin;Blood vessels;Skeleton;Elbow joint;Tomography,X-ray computed;Image processing,computer-assisted

R323.71

A

1674-666X(2012)01-0042-06

2011-12-28；

2012-01-15）

（本文編輯 白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.007

524023廣東湛江，廣東醫(yī)學(xué)院研究生院（解秉霖）；523945廣東東莞，廣東醫(yī)學(xué)院附屬厚街醫(yī)院（黃潮桐，李敬礦，宋江濤）；510631廣州，華南師范大學(xué)（鮑蘇蘇，邱文超）；510515廣州，南方醫(yī)科大學(xué)（李忠華，鐘世鎮(zhèn)）

黃潮桐，E-mail：myhct@medmail.com.cn