數(shù)字化骨、皮瓣虛擬可視技術的臨床初步應用研究.pdf

1、在當今科學技術飛速發(fā)展的時代，多學科融合、交叉是各類學科發(fā)展的必然途徑與趨勢。目前數(shù)字醫(yī)學已成為現(xiàn)代醫(yī)學的重要組成部分，數(shù)字技術已經(jīng)滲透到醫(yī)學的各個領域，從而促使醫(yī)學技術向個性化、精確化、微創(chuàng)化和遠程化方向快速發(fā)展。由于數(shù)字化技術的導入，數(shù)字醫(yī)學成像系統(tǒng)及計算機系統(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，建立個性化三維圖像模型。并應用數(shù)字可視技術實現(xiàn)了術前準確定位，術中精確導航，從而使手術更加規(guī)范，增加了手術的可靠性與安全

2、性，因此醫(yī)學圖像的可視技術使臨床醫(yī)師處理復雜手術的難題迎刃而解。 游離骨、皮瓣是修復大面積骨、皮膚軟組織缺損的重要方法，尤其對于不能通過局部轉移或游離移植骨、皮修復的創(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難度大、風險高而未能被大多數(shù)臨床醫(yī)師掌握。醫(yī)生在術前主要依靠個人經(jīng)驗制定手術計劃，常缺乏對局部解剖的正常和異常組織的定量描述。手術醫(yī)生往往憑借自己的經(jīng)驗在大腦中去想象具體的三維手術場景，其構思和手術經(jīng)驗很難

3、為手術組每一位成員所共享，手術操作更難以達成默契。而對于那些復雜的血管結構，術前、術中僅僅依靠眼、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)驗的醫(yī)生也很難感知其中內在的立體解剖結構關系。對于出現(xiàn)的血管變異，一旦出現(xiàn)與術前設計不符必將對術者造成很大的被動。另外，其臨床教學訓練內容隨機的依賴于病人的出現(xiàn)，難于進行系統(tǒng)的教學，且訓練方法延長手術時間，甚至影響手術質量。 骨、皮瓣顯微外科手術的重點在于解剖。傳統(tǒng)的模式為“開放-觀

4、察-手術”，即首先開放手術部位，通過對局部的直接觀察進行手術，因而手術具有很大的盲目性，從而增加了手術風險。加之其局部解剖復雜，對于術中出現(xiàn)的解剖結構改變，臨床醫(yī)師多憑借自己長期積累的經(jīng)驗和教訓進行操作，因而增加手術難度。數(shù)字化可視技術為解決該難題提供了技術平臺，通過建立的個性化三維圖像和可視化技術，可將傳統(tǒng)模式改變?yōu)椤坝^察-開放-手術”，即在醫(yī)生尚未手術暴露患者部位之前，對手術部位做深入的觀察，術前確定手術路徑。利用計算機重建的患者個

5、性化圖像，在手術規(guī)劃軟件上觀察三維模型，對手術部位深入觀察，精確設計手術路徑與范圍，使手術更加精確與微創(chuàng)，提升手術的質量與可靠性。 骨、皮瓣解剖的重點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雜、費時，加之當前對更加注重受區(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，術前體表血管蒂及穿支血管的準確定位甚為重要。部分學者術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，使手術者在術前

6、掌握皮瓣的血管類型，避免手術的盲目性，減少組織損傷，對股前外側皮瓣移植的術前計劃的制定和增加手術安全性具有重要意義。但彩色多普勒探測相對費時，主觀性太強，缺乏立體成像，判斷細小皮支血管靈敏度和準確度較低。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，能夠清晰顯示微細血管。醫(yī)學圖像重建軟件Minics、Amira等均具有功能強大的高級數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。目前數(shù)字化皮瓣的可視技術主要應用于解剖教學和臨床訓練，其應用氧化鉛灌注CT圖像以及應用虛擬人切片重建的數(shù)字化皮瓣重建股前外側皮瓣、足背皮瓣等能夠清晰顯示血管走行及皮下血管情況，已應用于解剖教學和臨床訓練，數(shù)字皮瓣的可視技術的發(fā)展已打破傳統(tǒng)的解剖結構和皮瓣

8、觀察及手術設計模式。 本課題在此基礎上，將數(shù)字化人體的虛擬可視技術應用于臨床，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，應用Amira軟件重建患者個性化的骨、皮瓣。力圖顯示皮瓣的血供來源和血供形式，同時模擬骨、皮瓣手術操作的關鍵步驟，以解決臨床實際所需。 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，三維構建患者的數(shù)字化個性化股前外側皮瓣。 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，三維構建患者的數(shù)字化個性化腓骨骨瓣。 3.應用虛擬可視技術對患者的血管、骨骼、皮膚和肌肉等重建圖像進行三維觀測，指導股前外側皮瓣和腓骨骨瓣的手術設計和手術操作。 方法： 1.股前外側皮瓣數(shù)字化三維重建選擇2007年3月至2007年12月需采用股前外側皮瓣移植修復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)輸入個人計算機的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、皮膚的關系，并應用軟件自帶測

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，多方位旋轉和多重組合顯示血管、肌肉、骨骼、皮瓣之間的相互關系。術前手術組將重建圖像仔細演示，根據(jù)重建圖像的血管走行于患者股部描記出皮瓣的點、線、面，術中仔細校對旋股外側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，掃描范圍由膝關節(jié)至踝關節(jié)。將掃描數(shù)據(jù)輸入個人計算機的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系。應用軟件自帶測量工具對血管蒂、腓骨長度進行測量。依據(jù)測量結果及患者骨缺損長度對重建圖像進行圖像切割、表面重建，構建患者的個性化腓骨骨瓣。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合皮瓣。根據(jù)人體組織不同顏色著彩后，多方位旋轉顯示血管、肌肉、骨骼之間的相互關系。術前手術組將重建圖像仔細演示，根據(jù)重建圖像于患者小腿設計出點、線、面，術中仔細校對腓動脈與重建血管走

14、行，并依重建圖像切取骨(皮)瓣。 結果： 1.股前外側皮瓣的數(shù)字化三維重建：經(jīng)血管造影后雙下肢的CT或MR掃描，應用Amira軟件重建患者個性化的股前外側皮瓣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系，并應用軟件自帶測量工具對血管、皮瓣進行測量，用以準確定位指導手術操作。 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，應用Amira軟件重建患者個性化的腓骨骨瓣7例，其中骨皮瓣3例。所有病例均能準確地、直觀地顯示骨骼、血管及皮膚的位置、形態(tài)，并能準確地評價骨瓣和腓動脈的空間關系。 3.術中探查8例股前外側皮瓣主干血供與三維構建圖像相符，5例重建皮瓣顯示穿支在術中定位準確，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例術中未探及血管穿支均小于0.3mm，術后8例皮瓣全部成活。7例骨瓣(包括3例骨皮瓣)術中探查血供與重建圖像相符，