醫學圖像三維規劃系統輔助面部整形設計的研究

唐榮高

醫學圖像三維規劃系統輔助面部整形設計的研究

唐榮高

目的研究開發一種基于CT圖像的輔助整形外科的醫學圖像規劃系統。方法綜合應用螺旋CT技術數字圖像算法，三維重建骨性及軟組織數字化模型，同時進行其系統框架結構設計，為面部整形外科手術術前診斷和術后評估的規劃提供參考。結果實驗和臨床應用證明，該圖像系統可以很好地應用于頜面整形外科手術規劃，大大提高手術規劃的準確度，且利于術前術后醫患溝通。結論采用醫學圖像規劃系統對于面部整形外科具有一定的的臨床應用價值。

整形外科計算機輔助設計手術規劃

隨著三維可視化技術的快速發展，其技術成果已被不斷應用到各相關領域。根據圖像進行三維重建是科學計算可視化的一個重要研究和應用領域[1]。近年來，三維圖像重建技術引起了整形外科界的重視。應用逼真的三維圖像可以對人體解剖結構從任意角度進行觀察、術前模擬、術中導向和術后評價，使得整形手術趨于精確和微創，提高手術的成功率和滿意度。因此，醫學圖像的三維規劃技術無論在臨床還是在理論研究領域都具有重要的意義。

本研究采用圖像序列輪廓表面繪制的模型為基礎，經空間幾何算法、計算機圖像合成法和專用語言處理分析，建立面部三維可視化計算機模型和圖像測量分析系統，在計算機上快速實現了經表面繪制而成的面部骨骼和軟組織的多切面觀察，開發研究了頜面整形手術的仿真模擬規劃系統，對于整形外科及其他相關領域具有一定的臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 數據采集

本研究采用的病例資料為50例頭顱CT數據，均為上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院整復外科的面部整形病例，平均年齡25歲（18～38歲）。所有患者術前均行三維CT掃描，硬件及掃描參數為：16層螺旋CT（GE公司），螺旋掃描（5 mm體積掃描），層厚1.25 mm，140 kV，250 mA。標準DICOM 3.0 CT影像學數據儲存。

1.2 數據解析及圖像預處理

每個數據集由250張512×512的DICOM格式圖片組成。圖形工作站中使用的軟件版本已經內建了對DICOM圖像格式的支持，經空間幾何算法、計算機圖像學合成法和專用語言處理分析等圖像預處理，形成三維數據場，建立頜骨三維可視化計算機模型，在四維工作界面，可快速實現經表面繪制而成的頜面部骨骼和軟組織的多切面觀察（圖1）。

圖1 四維工作界面

1.3 圖像規劃系統的實現

1.3.1 圖像系統重建原理

符合DICOM標準的CT圖像的三維可視化系統必須具有的基本功能是DICOM文件的解析功能，用于提取出重建的數據場和空間信息。針對醫學CT圖像的特殊性，即必須具有窗寬／窗位的調節功能，還必須具有體數據場的三維可視化功能。圖形工作站的程序對CT切片數據進行處理，由切片數據重建骨骼和皮膚，采用的算法是基于表面繪制的MC（Marching Cubes）算法。本系統綜合實際應用需求和計算成本等原因，采用表面繪制重建方法，以3個正交醫學切面進行剖切。工作站生成的頭顱三維模型或軟組織曲面模型利用軟件轉換成STL文件格式保存，將轉化后的數據輸入到快速成型機，從而打印出實體三維模型。

1.3.2 手術設計及手術模擬

應用三維圖像逆向處理軟件進行術前測量及手術模擬。根據測量結果，結合臨床表現(如面相、咬牙合關系)進行診斷。利用軟件的曲面編輯功能實施各種顱頜面經典手術的模擬，如旋轉、平移、截骨、固定等操作，記錄骨塊移動的距離、旋轉角度、截骨位置等數據。對于顱面骨缺損病例，通過健側鏡像法構建缺損側的數據，通過差值得到修補體的數據；對于需要植入自體骨或人工材料的病例，對現有曲面進行編輯，使最終曲面符合患者要求，之后利用差值法求得植入體數據；如患者需要進行多項手術操作，可根據臨床情況確定序貫治療方案（圖2、3）。

圖2 面部三維測量

圖3 下頜角肥大截骨手術設計

1.3.3 手術模型的操作

虛擬截骨過程前，先利用該二叉樹模型來定義骨塊單元及手術中可能會用到的骨塊集合。每一骨塊均有唯一的識別號，通過父節點和子節點之間的關系來表現實際顱頜面各子骨段之間的關系。而最終截骨過程是在預先形成各子骨段模型并完成二叉樹模型分類后，虛擬截骨的過程即為針對各子骨段的唯一標識號的空間幾何操作。

根據計算機設計所得的最佳手術方案進行模型外科操作，操作過程完全模擬術中過程，操作使用的動力系統、鉆頭、固定用鈦釘鈦板均與手術中相同；截骨的位置、骨塊的移動依照計算及輔助設計中的數值。模型操作比計算機設計更加接近于真實情況，如果發現預定的數值在術中無法實施，則進行必要修改。

1.3.4 實體三維模型的制作和應用

圖形工作站生成的三維模型利用軟件轉換成STL文件格式保存，將轉化后的數據輸入到快速成型機，從而打印出實體三維模型。本研究中三維模型打印包括顱骨缺損補塊和面部充填材料模型。所得修補體與CAD設計的修補體具有極高的吻合性，手術中無需塑形即可置入缺損區內；對于需要進行自體骨（顱骨外板、下頜骨外板、髂骨）移植，或多孔聚乙烯等人工材料置入的病例，則構建塑形模板，即將CAD設計的置入物數據通過快速成型機加工成修補體模型（或稱B模），在術中將B模置于供骨區（如下頜骨、顱骨、肋骨處）沿模板邊界以美藍做標記，可一次性取下所需材料，避免取材過多或取材不足而二次取材。如取材部位較大，還可根據供區情況將模板分解成幾個部分，分段取材后再將骨瓣拼接塑形；對于人工材料置入的患者可以根據模板選擇材料，術中比照模板進行切削，提高了手術的準確度。

2 結果

本組病例均采用連續薄層容積掃描模式獲取頭顱CT數據，再將DICOM數據經數字接口傳至圖形工作站，按照表面陰影顯示法進行三維重建。將三維重建數據格式轉化并采用快速成型技術制作成三維模型。在此基礎上進行精確的三維測量和準確的臨床診斷并針對畸形、病變或骨折及骨缺損的具體情況進行不同的手術模擬，包括顱頜面畸形或創傷后骨塊的截斷移位固定以及骨缺損個性化修復體的選擇和預制等。經術后6個月隨訪，50例患者按術前設計的方案一次性完成手術,除2例患者因為畸形嚴重按計劃需再次手術外，無其他并發癥，治療效果令人滿意。

3 討論

3.1 三維圖像的重建方法

三維重建系統所處理的對象是由二維CT、MRI等斷層圖像序列形成的立體結構圖像數據，這些體數據是一個基于規則網格的三維標量數據場。三維重建的目標是將二維斷層圖像轉化為直觀的三維可視化頭顱模型[2]。立體結構圖像體數據三維可視化方法主要分兩類：面繪制顯示和體繪制顯示。面繪制相比體繪制計算流程相對簡單，計算量相對較小，因此重建速度要快于體繪制。體繪制以光照模型為基礎，當觀察的視角發生變化，體繪制中光照模型參數全部發生變化，則需要對所有數據點完全重新計算所有屬性變量并重新進行合成。所以，雖然體繪制可以繪制出三維數據場中包含的較豐富信息，有利于內部深在的細微結構顯示，但綜合實際應用需求和計算成本等原因，目前三維重建仍然較多采用面繪制重建方法[3]。因此，本系統采用面繪制重建方法，以3個正交醫學切面進行剖切。在需要三維旋轉和交互顯示的場合，每次改變顯示角度時，面繪制算法不需要重新構造中間幾何圖元，而只要重新計算幾何面片的法向量，因此對交互控制能夠實時響應，具有良好的可交互性。

3.2 三維CT圖像的特點

應用計算機軟件，將螺旋CT連續橫斷掃描所獲得的容積數據信息進行后處理，重建出直觀的立體圖像。其基本原則是將病變范圍包括在一次容積掃描中，有良好的連續性，能在病變范圍內以不同的間距再分別重建。頜面部主要是骨關節結構的重建，常用SSD，即通過計算被掃描物體的表面所有相關像素的最高值和最低值，并保留其影像，而超出限定CT值閾值的像素則被當作透明處理后成像[4]。根據需要還可以應用其他處理技術，如MPR、MIP、VRT等。常規CT掃描不具備重建功能，只有應用螺旋CT連續薄層橫斷掃描，尤其是16排螺旋CT掃描重建層厚可以達到0.125 mm，甚至更小。這樣才能重建出細致、連續光滑的三維立體圖像，通過不同軸面的旋轉切割充分顯示病變組織的方位、角度，更便于診斷和治療。

因此，三維CT圖像可幫助臨床醫生在手術治療前了解精確的解剖結構，觀察各骨之間的立體空間關系，有助于制定精確安全的治療計劃，減少在局部矯治效果的判斷可能會出現的偏差。計算機代替醫生進行手術方案的三維構思比較客觀、定量，且其信息可供整個手術組成員共享，還可同患者及家屬一起進行觀看、交流，得到其積極配合，對不滿意之處進行修改，從而制訂出較為完善的手術方案。

3.3 三維可視化規劃系統的優勢

計算機模擬手術也稱虛擬手術，集成了計算機成像技術和圖像編輯技術，是目前計算機領域與醫學領域跨學科合作的熱點，也是現代模型外科的重要組成部分。首先，在計算機上進行手術模擬毫無風險,醫生們可以不受現有觀念的限制而實施多種操作，經過反復權衡利弊后選出可行性最強的模型操作，更加符合優選原則。但是，由于圖像模擬不能被觸摸，所以手術模擬過程并不能提供給外科醫生每一個操作細節的感受，頭顱實體模型彌補了這一不足，兩者在手術設計中相輔相成。其次，曲面編輯及曲面構建過程是三維圖形編輯的功能之一[5]，結合數控車床制造技術和RP技術使術前預制修復體及塑形模板成為可能，作為模型外科與真實手術之間的信息傳遞者，改進了外科手術的模式，將術中繁復的塑形工作移到術前進行，簡化了手術步驟，縮短了手術時間，降低了手術風險，而且包含曲面重建及編輯技術的植入體比人工塑形的植入體外形更加美觀[6]。因此，不斷優化的軟件功能和臨床醫生的協助配合，三維可視化規劃系統較傳統研究的仿真模擬平臺更加側重了骨性和軟組織結合的變化，在術前設計中的作用效果顯著，模擬手術的仿真效果有了很大提高，提高了手術設計的合理性，使許多創新的手術設計成為可能，增加了手術的安全性，促進了更加良好的醫患溝通的形成。

面部整形外科的術前圖像三維規劃系統是融合基礎科學、信息科學、計算機圖像技術與口腔頜面外科、整形外科等諸多領域的新興交叉技術，加速了醫學領域虛擬現實技術的進步。目前，醫工結合的很多應用正在被開發或還處于原型樣機狀態。國外專家多年前就開始致力于虛擬現實在虛擬手術中的應用，包括一些虛擬的工具，如手術刀、立體眼鏡等，切割時手上產生的虛擬觸覺[7]，這些在國內尚未見相關報道。雖然國外已有資料論述虛擬截骨后的軟組織重建，但受到骨組織的變化，軟組織應力相應發生變化后的組織重建并非易事。由于技術條件的限制，目前將軟組織變化與骨組織變化聯動起來的關鍵技術尚未突破，缺乏臨床相關曲面數據庫的積累和總結，這些都是臨床醫師以及廣大計算機和材料學工作者需要合作解決的問題。

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2010年《中國修復重建外科雜志》征訂啟事

《中國修復重建外科雜志》是由中華人民共和國衛生部主管，中國康復醫學會、四川大學華西醫院主辦，四川大學華西醫院承辦的國家級醫學專業學術期刊，是國內修復重建外科領域惟一核心期刊。期刊于1997年率先被國際權威醫學數據庫——MEDLINE及美國《醫學索引》(IM)收錄，此后相繼被美國化學文摘（CA）、俄羅斯《文摘雜志》(PЖ)、《日本科學技術社數據庫》（JICST）、荷蘭Scopus數據庫、波蘭《哥白尼索引》等國際檢索系統收錄。此外，期刊還被《中文核心期刊要目總覽》（2008年版）、中國科學引文數據庫（核心庫）、中國科技論文統計源期刊(中國科技核心期刊)等12家國內檢索機構收錄。

期刊設有臨床（研究）論著、干細胞與組織工程、異體及異種移植、臨床新技術、綜述、科研快報、短篇論著、短篇報道等欄目。學科領域覆蓋骨科、手外科、顯微外科、整形外科、口腔頜面外科、泌尿外科、神經外科、康復醫學、再生醫學、生物醫學等。以各級臨床外科醫師及生物醫學研究者為主要讀者對象。

本刊為月刊，每月15日出版，大16開本，128頁，80g亞光紙印刷，每期定價15.00元，全年12期共180元。歡迎廣大讀者到當地郵局征訂，郵發代號：62－80。此外，本編輯部長期提供郵購業務。

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《中國修復重建外科雜志》編輯部

2009-8-05

Application of 3-Dimensional Computer and Medical Image-Assisted Systems in Facial Plastic Surgery

TANG Ronggao.

Department of Medical Engineer,Shanghai Ninth People′s Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.

ObjectiveTo study the application of 3-dimensional computer and medical image-assisted systems in facial plastic surgery.MethodsApplication of spiral CT technology integrated digital imaging algorithm,3-dimensional reconstruction of bone and soft-tissue digital model.At the same time,after preoperative diagnosis and assessment of reference for the planning,frame for the design of their systems for facial plastic surgery.ResultsExperimental and clinical application proved that the image system can be used in plastic surgery and maxillofacial surgery planning.It can also enhance the accuracy of surgical planning,and in favor of physician-patient communication before and after operation.ConclusionPlanning system used for medical image facial plastic surgery has some value in clinical application.

Plastic surgery;Computer assisted design;Surgical planning

R622

A

1673－0364（2009）04－0208－04

2009年3月4日；

2009年5月29日)

10.3969/j.issn.1673-0364.2009.08.008

200011上海市上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院醫學工程室。