唇裂畸形計(jì)算機(jī)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型建立的研究

[摘要]目的：探討利用螺旋CT建立唇裂畸形計(jì)算機(jī)仿真模型的方法，建立一適用于唇裂手術(shù)模擬及術(shù)后面型預(yù)測(cè)的唇裂畸形計(jì)算機(jī)仿真模型。方法：利用薄層螺旋CT獲取原始數(shù)據(jù)，利用面向?qū)ο蟮拈_(kāi)源軟件環(huán)境VTK(Visualization Toolkit)技術(shù)建立可視化模型，利用Visual C⁺⁺編寫(xiě)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型程序并使之與VTK顯示結(jié)合。結(jié)果：用質(zhì)點(diǎn)彈簧模型及VTK技術(shù)成功建立出一個(gè)具有軟組織生物力學(xué)特性的唇裂畸形模型，并且較大程度簡(jiǎn)化了運(yùn)算過(guò)程，提高運(yùn)算速度。結(jié)論：該模型有較好的力學(xué)和幾何相似性，為唇裂手術(shù)模擬提供了一個(gè)研究平臺(tái)。

[關(guān)鍵詞]唇裂；模擬外科手術(shù)；質(zhì)點(diǎn)彈簧模型；VTK

[中圖分類(lèi)號(hào)]R782.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008－6455(2007)03－0354－03

唇裂修復(fù)手術(shù)是難度較大的整形手術(shù)，制定精確的術(shù)前手術(shù)方案非常重要。醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)對(duì)手術(shù)質(zhì)量有很大的影響，傳統(tǒng)的訓(xùn)練和培訓(xùn)方法單一，住院醫(yī)生一般只能通過(guò)見(jiàn)習(xí)高年資醫(yī)生的手術(shù)來(lái)積累經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)樾g(shù)后面型無(wú)法提前預(yù)知，醫(yī)患雙方都不能對(duì)術(shù)后患者的面相有直觀(guān)了解，導(dǎo)致醫(yī)患交流困難。如何建立唇裂手術(shù)預(yù)測(cè)模擬系統(tǒng)是口腔頜面外科醫(yī)生所共同關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。模擬外科手術(shù)為此問(wèn)題提供了可能的解決方法，而模擬外科手術(shù)中如何建立一個(gè)能反應(yīng)組織生物力學(xué)特性，并且能夠滿(mǎn)足虛擬現(xiàn)實(shí)中人機(jī)交互所要求的快速算法的計(jì)算機(jī)模型是研究的熱點(diǎn)。本研究利用薄層螺旋CT，基于VTK技術(shù)、Visual C⁺⁺技術(shù)建立一個(gè)反應(yīng)組織生物力學(xué)特性的唇裂畸形計(jì)算機(jī)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，為唇裂的虛擬手術(shù)以及頜面外科醫(yī)生手術(shù)的培訓(xùn)提供了基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1．1 數(shù)據(jù)對(duì)象的獲取：測(cè)試對(duì)象選取臨床上一個(gè)3個(gè)月大左側(cè)Ⅲ度先天性唇腭裂患兒，無(wú)其他身體疾患。應(yīng)用Toshiba公司16排螺旋CT掃描機(jī)Aquilion對(duì)其做全頭顱掃描，所得數(shù)據(jù)用我們白行編寫(xiě)的軟件將圖像中骨組織和軟組織分割。最后用Visual C⁺⁺和VTK技術(shù)建立唇腭裂可視化模型。

1．2 質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的構(gòu)建：質(zhì)點(diǎn)彈簧模型把連續(xù)組織用質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行離散化，每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)虛擬彈簧與周?chē)|(zhì)點(diǎn)連接，質(zhì)點(diǎn)間的相互作用通過(guò)彈簧傳遞。設(shè)定不同類(lèi)型的彈簧系數(shù)來(lái)模擬組織的不同物理學(xué)特性。我們?cè)O(shè)定維持軟組織面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)彈簧，防止軟組織過(guò)度彎曲的彎曲彈簧，模擬軟組織剪切性能的剪切彈簧，體現(xiàn)軟組織粘彈性的虛擬彈簧。為了簡(jiǎn)化算法，我們采取現(xiàn)在虛擬手術(shù)中常用的擬線(xiàn)彈性模型。質(zhì)量彈簧模型的運(yùn)算在VisualC⁺⁺.net 2003中事先實(shí)現(xiàn)。

1．3 模型的修正與模擬流程：為了更好的模擬唇裂變形范圍及減少運(yùn)算量，我們?cè)O(shè)置了變形區(qū)間，即主要手術(shù)區(qū)域。在手術(shù)過(guò)程中采用局部求精方法，在主要手術(shù)形變部位采用高分辨率，其他非手術(shù)區(qū)域采取低分辨率，以簡(jiǎn)化運(yùn)算數(shù)據(jù)，提高速度。而在形變完成后，由于沒(méi)有形變計(jì)算，全體數(shù)據(jù)即可采用高分辨率顯示，以體現(xiàn)效果。我們利用VTK中抽取點(diǎn)的方法，以完成數(shù)據(jù)的變換。手術(shù)模擬流程在Visual C⁺⁺.net 2003實(shí)現(xiàn)，并使之與VTK顯示實(shí)時(shí)結(jié)合。

2 結(jié)果

2．1 建立了唇裂計(jì)算機(jī)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型：利用VisualC⁺⁺編寫(xiě)質(zhì)量彈簧模型程序，并把其加載到唇裂可視化模型中，在VTK窗口顯示，建立出唇裂畸形計(jì)算機(jī)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型。模型形態(tài)還原性好，重建效果理想，可以在生成視窗內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)，為醫(yī)生提供唇裂詳盡的三維信息，并且包含了能反應(yīng)軟組織物理性質(zhì)的生物力學(xué)信息。

2．2 實(shí)現(xiàn)了建模過(guò)程，并預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口：由原始CT數(shù)據(jù)、結(jié)合VTK及VisualC⁺⁺技術(shù)建立具有生物力學(xué)性質(zhì)的唇裂計(jì)算機(jī)模型，在CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、VTK及Visual C⁺⁺程序編寫(xiě)過(guò)程中書(shū)寫(xiě)了標(biāo)準(zhǔn)代碼，提前預(yù)留了由其他數(shù)據(jù)(如MRI)錄入的接口，預(yù)留了以后為了提高模型精度而加載肌肉層、脂肪層的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)接口。

3 討論

模擬外科手術(shù)(Simulation Surgery)是采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)圖像處理和分析方法，選擇數(shù)學(xué)模型對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行人體器官幾何重建，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)上模擬出病灶部位的三維結(jié)構(gòu)，并使依據(jù)三維數(shù)據(jù)建立的模型具有實(shí)際物體的物理性質(zhì)，最后利用VR(VirtualReality)手段虛擬手術(shù)的逼真場(chǎng)景，使醫(yī)生能夠在計(jì)算機(jī)建立的虛擬的環(huán)境中設(shè)計(jì)手術(shù)過(guò)程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及各種模擬軟件的出現(xiàn)，手術(shù)模擬已經(jīng)有了很大的進(jìn)展，其中骨組織的手術(shù)模擬及力學(xué)分析現(xiàn)在已經(jīng)有成熟產(chǎn)品上市。但在軟組織的手術(shù)模擬中普遍存在著一些技術(shù)方面的難點(diǎn)，其中如何建立一個(gè)能反應(yīng)組織生物力學(xué)特性，并且能夠滿(mǎn)足虛擬現(xiàn)實(shí)中人機(jī)交互所要求的快速算法的模型是研究的熱點(diǎn)。

質(zhì)點(diǎn)彈簧模型是描述連續(xù)性介質(zhì)的一種模型，它把物體離散成若干個(gè)點(diǎn)，使用有質(zhì)量的點(diǎn)來(lái)表達(dá)數(shù)據(jù)，使用彈簧的剛性來(lái)表達(dá)點(diǎn)之間的相互影響。最初由于該模型計(jì)算速度快，實(shí)現(xiàn)物體變形較為簡(jiǎn)單，多被用于動(dòng)畫(huà)游戲中物體的變形仿真模擬，特別是對(duì)織物、人臉動(dòng)畫(huà)的變形仿真模擬。軟組織物理性質(zhì)復(fù)雜，模型受力變形或切割后引起拓?fù)渥兓Ｙ|(zhì)點(diǎn)彈簧模型對(duì)于軟組織的拓?fù)渥兓m應(yīng)能力好，被學(xué)者用于軟組織的變形、切割、縫合等虛擬手術(shù)仿真。

唇裂的計(jì)算機(jī)模擬外科國(guó)內(nèi)外開(kāi)展很少。Stephen Schendel在2005年建立了一個(gè)能用于虛擬手術(shù)的唇裂計(jì)算機(jī)模型并且給出了最后修復(fù)效果，但是文章并沒(méi)有給出模型的變形方法，該模型也只用作對(duì)頜面外科醫(yī)生唇裂手術(shù)中定點(diǎn)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)。本研究提出了一種利用VTK結(jié)合質(zhì)點(diǎn)彈簧模型建立了模擬外科手術(shù)模型的新方法，給出了詳細(xì)的建模過(guò)程，成功建立了一個(gè)可以反應(yīng)唇部軟組織生物力學(xué)特性、具有良好的幾何相似性的唇裂畸形計(jì)算機(jī)模型。該模型有以下特點(diǎn)：

3．1 模型采用質(zhì)點(diǎn)彈簧模型：在軟組織外科手術(shù)模擬研究中，常用的有限元模型和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型。前者已經(jīng)被應(yīng)用于外科仿真手術(shù)中的軟組織變形模擬，而且精確度和穩(wěn)定性較高。我們之所以沒(méi)有選擇有限元模型，因?yàn)殡m然有限元模型精確度高，但是由于其計(jì)算量大，計(jì)算效能低，特別是在切割縫合時(shí)隨著大量單元的出現(xiàn)，其計(jì)算量會(huì)急劇增高，不適應(yīng)于虛擬手術(shù)實(shí)時(shí)性的要求。質(zhì)量彈簧模型優(yōu)點(diǎn)在于可以方便的模擬軟組織的彈性，可以在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下計(jì)算，切割縫合也比較容易實(shí)現(xiàn)，可以簡(jiǎn)單的去除和連接相應(yīng)單元便可以做到切割和縫合，能夠適應(yīng)實(shí)時(shí)處理的要求。

3．2 模型的可提升性：本模型在建立過(guò)程中采用了面模型，因?yàn)榭紤]到原始運(yùn)算量的大小對(duì)運(yùn)算速度有最根本影響，我們?cè)诜指顢?shù)據(jù)只提取了骨骼和皮膚兩層，而假定唇部皮膚均勻一致，認(rèn)為其物理性質(zhì)沒(méi)有差別。但在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們預(yù)留了加載多層數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)接口，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提升，我們可以在分割圖像時(shí)多提取脂肪層、肌肉層等，可以直接加載到模型中，這將大幅度提高模型的準(zhǔn)確性。

3．3 為唇裂手術(shù)模擬及評(píng)價(jià)提供了一個(gè)研究平臺(tái)：唇裂修復(fù)手術(shù)在臨床上有多種修復(fù)方法，已經(jīng)成為頜面外科常規(guī)手術(shù)，但是由于術(shù)后面型的不確定性，臨床上至今還沒(méi)有一個(gè)大家公認(rèn)的術(shù)前評(píng)價(jià)系統(tǒng)，如何確定手術(shù)方案很大程度受醫(yī)生臨床經(jīng)驗(yàn)的影響，另外口腔頜面外科醫(yī)生在唇裂手術(shù)上培養(yǎng)途徑較少，只能通過(guò)見(jiàn)習(xí)手術(shù)來(lái)積累經(jīng)驗(yàn)。我們采用虛擬手術(shù)的原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)建立一個(gè)模擬外科手術(shù)平臺(tái)，可以進(jìn)一步與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，使醫(yī)生能夠在虛擬環(huán)境下重復(fù)練習(xí)手術(shù)過(guò)程，并且系統(tǒng)可以提前記錄儲(chǔ)存專(zhuān)家的手術(shù)過(guò)程，這樣便大大縮短臨床上對(duì)于醫(yī)生的手術(shù)培訓(xùn)時(shí)間，并且減少醫(yī)生對(duì)昂貴手術(shù)對(duì)象的要求，降低醫(yī)生培訓(xùn)成本和時(shí)間。另外通過(guò)模擬展現(xiàn)不同手術(shù)方法的修復(fù)效果，提前在計(jì)算機(jī)上預(yù)知手術(shù)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題與術(shù)后患者整體面相，這樣可以協(xié)助醫(yī)生定量地制定手術(shù)方案，獲得最佳手術(shù)效果。