數(shù)字化骨、皮瓣虛擬可視技術(shù)的臨床初步應(yīng)用研究.pdf

1、在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，多學(xué)科融合、交叉是各類學(xué)科發(fā)展的必然途徑與趨勢。目前數(shù)字醫(yī)學(xué)已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要組成部分，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)滲透到醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，從而促使醫(yī)學(xué)技術(shù)向個(gè)性化、精確化、微創(chuàng)化和遠(yuǎn)程化方向快速發(fā)展。由于數(shù)字化技術(shù)的導(dǎo)入，數(shù)字醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可將患者的影像模型化，并根據(jù)臨床需要任意變形或再修飾，建立個(gè)性化三維圖像模型。并應(yīng)用數(shù)字可視技術(shù)實(shí)現(xiàn)了術(shù)前準(zhǔn)確定位，術(shù)中精確導(dǎo)航，從而使手術(shù)更加規(guī)范，增加了手術(shù)的可靠性與安全

2、性，因此醫(yī)學(xué)圖像的可視技術(shù)使臨床醫(yī)師處理復(fù)雜手術(shù)的難題迎刃而解。 游離骨、皮瓣是修復(fù)大面積骨、皮膚軟組織缺損的重要方法，尤其對于不能通過局部轉(zhuǎn)移或游離移植骨、皮修復(fù)的創(chuàng)面，可起到不可替代作用。然而，游離骨、皮瓣的移植由于其手術(shù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高而未能被大多數(shù)臨床醫(yī)師掌握。醫(yī)生在術(shù)前主要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)制定手術(shù)計(jì)劃，常缺乏對局部解剖的正常和異常組織的定量描述。手術(shù)醫(yī)生往往憑借自己的經(jīng)驗(yàn)在大腦中去想象具體的三維手術(shù)場景，其構(gòu)思和手術(shù)經(jīng)驗(yàn)很難

3、為手術(shù)組每一位成員所共享，手術(shù)操作更難以達(dá)成默契。而對于那些復(fù)雜的血管結(jié)構(gòu)，術(shù)前、術(shù)中僅僅依靠眼、手系統(tǒng)，則往往只能停留在暴露的表面，即使是非常有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生也很難感知其中內(nèi)在的立體解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系。對于出現(xiàn)的血管變異，一旦出現(xiàn)與術(shù)前設(shè)計(jì)不符必將對術(shù)者造成很大的被動。另外，其臨床教學(xué)訓(xùn)練內(nèi)容隨機(jī)的依賴于病人的出現(xiàn)，難于進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)，且訓(xùn)練方法延長手術(shù)時(shí)間，甚至影響手術(shù)質(zhì)量。 骨、皮瓣顯微外科手術(shù)的重點(diǎn)在于解剖。傳統(tǒng)的模式為“開放-觀

4、察-手術(shù)”，即首先開放手術(shù)部位，通過對局部的直接觀察進(jìn)行手術(shù)，因而手術(shù)具有很大的盲目性，從而增加了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。加之其局部解剖復(fù)雜，對于術(shù)中出現(xiàn)的解剖結(jié)構(gòu)改變，臨床醫(yī)師多憑借自己長期積累的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)進(jìn)行操作，因而增加手術(shù)難度。數(shù)字化可視技術(shù)為解決該難題提供了技術(shù)平臺，通過建立的個(gè)性化三維圖像和可視化技術(shù)，可將傳統(tǒng)模式改變?yōu)椤坝^察-開放-手術(shù)”，即在醫(yī)生尚未手術(shù)暴露患者部位之前，對手術(shù)部位做深入的觀察，術(shù)前確定手術(shù)路徑。利用計(jì)算機(jī)重建的患者個(gè)

5、性化圖像，在手術(shù)規(guī)劃軟件上觀察三維模型，對手術(shù)部位深入觀察，精確設(shè)計(jì)手術(shù)路徑與范圍，使手術(shù)更加精確與微創(chuàng)，提升手術(shù)的質(zhì)量與可靠性。 骨、皮瓣解剖的重點(diǎn)在于皮瓣血供來源與血供形式。但由于其血管類型變化多，部分肌皮穿支解剖復(fù)雜、費(fèi)時(shí)，加之當(dāng)前對更加注重受區(qū)美觀與供區(qū)功能的穿支皮瓣、超薄皮瓣等精制皮瓣的追求，術(shù)前體表血管蒂及穿支血管的準(zhǔn)確定位甚為重要。部分學(xué)者術(shù)前采用彩色多普勒血流探測其血管走行、皮支穿出部位和皮支數(shù)目，使手術(shù)者在術(shù)前

6、掌握皮瓣的血管類型，避免手術(shù)的盲目性，減少組織損傷，對股前外側(cè)皮瓣移植的術(shù)前計(jì)劃的制定和增加手術(shù)安全性具有重要意義。但彩色多普勒探測相對費(fèi)時(shí)，主觀性太強(qiáng)，缺乏立體成像，判斷細(xì)小皮支血管靈敏度和準(zhǔn)確度較低。傳統(tǒng)的血管造影僅提供平面圖像，不能提供立體、直觀的有效觀察，因而也有其局限性。而三維重建的數(shù)字化骨、皮瓣能夠很好的克服其弊端，并顯示其血供來源、血供形式等個(gè)性化特征。 數(shù)字化骨、皮瓣的三維建模材料通常來源于CT、MR和人體切片，

7、64排螺旋CT和3T-MR均能提供人體薄層端面和清晰圖像，可視人體數(shù)據(jù)庫為真彩色圖像，能夠清晰顯示微細(xì)血管。醫(yī)學(xué)圖像重建軟件Minics、Amira等均具有功能強(qiáng)大的高級數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。目前數(shù)字化皮瓣的可視技術(shù)主要應(yīng)用于解剖教學(xué)和臨床訓(xùn)練，其應(yīng)用氧化鉛灌注CT圖像以及應(yīng)用虛擬人切片重建的數(shù)字化皮瓣重建股前外側(cè)皮瓣、足背皮瓣等能夠清晰顯示血管走行及皮下血管情況，已應(yīng)用于解剖教學(xué)和臨床訓(xùn)練，數(shù)字皮瓣的可視技術(shù)的發(fā)展已打破傳統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)和皮瓣

8、觀察及手術(shù)設(shè)計(jì)模式。 本課題在此基礎(chǔ)上，將數(shù)字化人體的虛擬可視技術(shù)應(yīng)用于臨床，根據(jù)患者骨骼或皮膚缺損的大小及其血管造影后的CT或MR掃描資料，應(yīng)用Amira軟件重建患者個(gè)性化的骨、皮瓣。力圖顯示皮瓣的血供來源和血供形式，同時(shí)模擬骨、皮瓣手術(shù)操作的關(guān)鍵步驟，以解決臨床實(shí)際所需。 目的： 1.探討依據(jù)患者的影像資料(血管造影后CT或MR掃描)和皮膚軟組織缺損情況，三維構(gòu)建患者的數(shù)字化個(gè)性化股前外側(cè)皮瓣。 2.

9、探討依據(jù)患者的影像資料(血管造影后CT或MR掃描)和骨缺損情況，三維構(gòu)建患者的數(shù)字化個(gè)性化腓骨骨瓣。 3.應(yīng)用虛擬可視技術(shù)對患者的血管、骨骼、皮膚和肌肉等重建圖像進(jìn)行三維觀測，指導(dǎo)股前外側(cè)皮瓣和腓骨骨瓣的手術(shù)設(shè)計(jì)和手術(shù)操作。 方法： 1.股前外側(cè)皮瓣數(shù)字化三維重建選擇2007年3月至2007年12月需采用股前外側(cè)皮瓣移植修復(fù)下肢及手部大面積陳舊性皮膚軟組織缺損的8例患者，其中足部皮膚缺損6例，前臂及手部皮膚缺損2

10、例，缺損面積約13cm×8cm～29cm×19cm。術(shù)前經(jīng)肘正中靜脈注射顯影劑后螺旋CT或MR行雙股部掃描，掃描范圍由髂前上棘至髕骨上緣，其中螺旋CT掃描5例、MR掃描3例。將掃描數(shù)據(jù)輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)的Amira4.1重建軟件，經(jīng)自動或手動閾值分割后采用表面重建方法SSD(surfaceshadedisplay)重建股部的血管、肌肉、骨骼以及皮膚圖像。進(jìn)行圖像切割，切除股直肌，顯露皮瓣的血供來源及其與毗鄰肌肉、皮膚的關(guān)系，并應(yīng)用軟件自帶測

11、量工具記錄穿支血管的位置。根據(jù)創(chuàng)面缺損大小及皮瓣的血供，將圖像自由切割成與患者創(chuàng)面相符的個(gè)性化皮瓣。然后將重建的肌肉、血管、皮瓣、骨骼圖像根據(jù)人體組織不同顏色給予著彩。多重顯示圖像并擬合，多方位旋轉(zhuǎn)和多重組合顯示血管、肌肉、骨骼、皮瓣之間的相互關(guān)系。術(shù)前手術(shù)組將重建圖像仔細(xì)演示，根據(jù)重建圖像的血管走行于患者股部描記出皮瓣的點(diǎn)、線、面，術(shù)中仔細(xì)校對旋股外側(cè)動脈降支與重建血管走行，并依重建圖像切取皮瓣。 2.腓骨骨瓣的數(shù)字化三維重建

12、選擇2007年3月至2007年12月需要腓骨游離移植修復(fù)的骨缺損患者7例，其中男5例、女2例。肱骨腫瘤1例、肱骨陳舊骨不連2例、前臂骨缺損2例、股骨創(chuàng)傷性骨缺損1例、脛骨創(chuàng)傷性骨缺損1例。缺損長度分別為：6～15cm，平均10.1cm，其中3例合并局部皮膚軟組織缺損。術(shù)前經(jīng)肘正中靜脈注射優(yōu)維顯后螺旋CT行雙小腿掃描，掃描范圍由膝關(guān)節(jié)至踝關(guān)節(jié)。將掃描數(shù)據(jù)輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)的Amira4.1重建軟件，經(jīng)自動或手動閾值分割后，采用表面重建SSD法

13、重建小腿血管、骨骼和(或)皮膚，并顯示血管與毗鄰組織的關(guān)系。應(yīng)用軟件自帶測量工具對血管蒂、腓骨長度進(jìn)行測量。依據(jù)測量結(jié)果及患者骨缺損長度對重建圖像進(jìn)行圖像切割、表面重建，構(gòu)建患者的個(gè)性化腓骨骨瓣。對于皮膚軟組織缺損患者，根據(jù)缺損面積和腓動脈穿支位置重建腓骨復(fù)合皮瓣。根據(jù)人體組織不同顏色著彩后，多方位旋轉(zhuǎn)顯示血管、肌肉、骨骼之間的相互關(guān)系。術(shù)前手術(shù)組將重建圖像仔細(xì)演示，根據(jù)重建圖像于患者小腿設(shè)計(jì)出點(diǎn)、線、面，術(shù)中仔細(xì)校對腓動脈與重建血管走

14、行，并依重建圖像切取骨(皮)瓣。 結(jié)果： 1.股前外側(cè)皮瓣的數(shù)字化三維重建：經(jīng)血管造影后雙下肢的CT或MR掃描，應(yīng)用Amira軟件重建患者個(gè)性化的股前外側(cè)皮瓣8例，其中5例顯示皮瓣主要血供及其穿支；3例顯示皮瓣主要血供，但未能重建出穿支。重建圖像能夠清晰顯示皮膚、肌肉與血管三維解剖關(guān)系，并應(yīng)用軟件自帶測量工具對血管、皮瓣進(jìn)行測量，用以準(zhǔn)確定位指導(dǎo)手術(shù)操作。 2.腓骨骨瓣的數(shù)字化三維重建：經(jīng)血管造影后雙下肢的CT掃

15、描，應(yīng)用Amira軟件重建患者個(gè)性化的腓骨骨瓣7例，其中骨皮瓣3例。所有病例均能準(zhǔn)確地、直觀地顯示骨骼、血管及皮膚的位置、形態(tài)，并能準(zhǔn)確地評價(jià)骨瓣和腓動脈的空間關(guān)系。 3.術(shù)中探查8例股前外側(cè)皮瓣主干血供與三維構(gòu)建圖像相符，5例重建皮瓣顯示穿支在術(shù)中定位準(zhǔn)確，3例未能重建穿支中有2例探查出最粗穿支血管約0.5mm，1例術(shù)中未探及血管穿支均小于0.3mm，術(shù)后8例皮瓣全部成活。7例骨瓣(包括3例骨皮瓣)術(shù)中探查血供與重建圖像相符，