腕部骨骼血管數字化虛擬

張遠華,黃潮桐,陳隆福,李敬礦,陳冬生

(1.廣東醫學院,廣東 湛江 524001;

2.廣東醫學院附屬厚街醫院顯微外科中心,廣東 東莞 523945)

·論 著·

腕部骨骼血管數字化虛擬

張遠華1,黃潮桐2,陳隆福2,李敬礦2,陳冬生2

(1.廣東醫學院,廣東 湛江 524001;

2.廣東醫學院附屬厚街醫院顯微外科中心,廣東 東莞 523945)

目的 應用數字化腕部技術構建腕部骨骼血管等重要解剖結構,建立虛擬腕骨及其滋養血管結構和形態。方法 采用新鮮成人手標本經灌注處理后,通過 CT掃描獲得數據集,利用M I M ICS軟件重建腕部的外形、骨骼、動脈等,并對相關結構進行解剖學觀察。結果 建立了基于解剖結構的可視化腕部骨骼血管模型并精確顯示腕骨及其滋養血管結構和形態,各結構可單獨、聯合顯示,可任意旋轉,模型透視及多剖面顯示。結論 腕部骨骼血管可視化模型為臨床提供三維形態學資料,也為虛擬現實技術提供數字化模型。

腕部骨骼血管;三維重建;虛擬可視化;M I M ICS

美國 Colorado大學健康科學中心首先完成了“可視人計劃”人體斷面圖片獲取[1],并于 1994年11月公布其先后獲取一男一女的包括 CT、MR和一系列斷面虛擬人體數據集[2]。經過 10年發展,數字解剖學在醫學教育和臨床中得到重要應用,醫學圖像處理技術取得許多重要進展,3D重構更加真實。當前,隨著工業的發展和高能量損傷層出不窮,腕部損傷日益增多,但到目前為止,對各腕骨的滋養血管和解剖復位的方法并不十分明確,對腕部損傷處理仍然有一定的難度和盲目性。針對臨床專科的需求,筆者自 2008年 7月開始應用數字化技術,把結構復雜、功能意義重大的腕部骨骼血管進行三維重建,現報道如下:

1 材料與方法

1.1 標本選取 選取新鮮健康成年人手標本3具,標本應無器質性損害,其主要解剖學參數具有代表性。

1.2 標本灌注

1.2.1 灌注材料 本實驗采用自凝牙托材料進行制作,造影劑為硫化汞。其配方為:自凝牙托粉30-35g,自凝牙托水 65-70g,鄰苯二甲酸二丁酯30ml,硫化汞 10-15g。

1.2.2 灌注方法 在常溫下將配方中各種物質混合均勻后即刻灌注,采用 20ml醫用注射器以連續緩慢的方式注入標本動脈中,灌注后標本用靜脈注入法或局部注射法進行防腐固定處理。

1.3 CT掃描獲取數據集 標本灌注后 24h進行 CT掃描。采用 TOSH I BA Aquilion螺旋 CT掃描,掃描參數:電壓 120kv,電流 250mAs,層厚 1mm,陣距 512×512;共獲取 220層數據,將其以DCM格式保存,每個文件大小為 514KB,共計 110MB,整理數據集。

1.4 三維可視化 將獲取的 CT數據集導入M I M I CS10.01軟件 (Materalise公司),應用 Segmentation模塊自動、手動調整灰度,進行圖像標識配準重建腕部骨骼血管等重要解剖結構;利用 Simulation模塊對重建后的三維模型進行修改,并保存為MCS、IGES及 STL等格式文件以備后續研究。

2 結 果

2.1 腕骨的三維重建 重建掌骨、腕骨及尺橈骨遠端骨骼,骨骼可單獨顯示或與其他結構聯合顯示,可任意旋轉、模型透視及多剖面顯示,各腕骨關節外觀、毗鄰關系清楚準確(圖 1)。

圖1腕骨全貌

圖2腕骨及血供

2.2 腕部動脈的三維重建 腕部動脈主要發自橈動脈和尺動脈,并有骨間前動脈和骨間后動脈的分支補充。三維重建圖像不僅可以清晰顯示橈動脈,尺動脈,腕掌、背側動脈 (弓)網,手掌淺、深弓等重要結構,而且三維重建后可單獨顯示各塊腕骨的動脈供應情況或與其他結構聯合顯示,可任意旋轉、模型透視及多剖面顯示,各動脈外觀、毗鄰關系清楚準確,主要動脈管腔可中空顯示且較為逼真。(圖2)。

3 討 論

3.1 手的可視化研究 國內左煥琛[3]將計算機三維重建應用于手解剖研究,并對食指各結構的外形、掌骨基底部及腕骨進行了三維重建。隨后張紹祥等[4]對掌部的動脈進行了計算機三維重建。國外學者也通過 CT掃描圖像對腕骨進行了三維重建并做了相應的測量[5-6],桂有等[7-8]通過利用高精度數控銑床對新鮮尸體手標本單獨進行薄層斷面銑切等技術處理,建立了完整的成人手數據集,并利用該數據集對手的外形、指屈肌腱、掌部筋膜間隙以及手部的骨骼進行了計算機三維重建,重建的結構可單獨顯示、任意搭配顯示和總體顯示,也可按任意軸旋轉任意角度,初步建立了手的可視化模型,國外亦有相關報道。但目前可視化人體仍以切面圖像數據集為主,由于受到切割設備等條件的限制,嚴重制約了其在臨床的推廣應用。本實驗采用灌注造影劑后通過CT掃描技術采集圖像,并應用M I M ICS軟件進行圖像分割、配準、重建,可得到精確逼真的重建圖像,此方法在臨床上具有可操作性。

3.2 虛擬腕骨血管模型構建 本實驗采用的M I M I CS 10.01軟件是基于臨床醫學影像學的逆向工程軟件和計算機輔助設計軟件,具有良好的圖像編輯功能。其重建的結構具有可單獨、聯合顯示,可任意旋轉、模型透視及多剖面顯示等特點。本實驗采用M I M ICS軟件的 Segmentation模塊自動、手動調整灰度進行圖像標識、配準,三維重建后的各腕骨關節外觀、毗鄰關系清楚準確,且可單獨顯示各塊腕骨的動脈供應情況 (圖 3-6)。上述特點在臨床上具有指導作用。對于重建的結構數據予MCS、IGES及STL等格式文件保存,后續可通過 M I M ICS軟件FEA、Segmentation等模塊或聯合其他工程軟件進行進一步深入研究。

圖3舟骨及血供

圖4月骨及血供

圖5豆骨及血供

圖6溝骨及血供

3.3 虛擬腕部模型構建的意義及亟待解決的問題 腕部損傷是臨床上常見的疾病,虛擬腕部模型的建立有助于進一步完善對手部結構的認識,為臨床治療方案的制定、手術相關操作及疾病基礎研究等提供科學的依據。本課題利用數字三維重建技術對腕部骨骼血管進行虛擬,了解其滋養血管結構和形態,在此基礎上對腕骨損傷的修復進行數字虛擬構建,并對修復后腕骨及滋養血管損傷程度進行預后評估。為臨床醫師探索一種在臨床解剖基礎上實施術前數字虛擬腕骨損傷修復的構建方法。

虛擬數字化技術應用于醫學研究及臨床實踐已經取得長足進步,但細小結構的標識及三維重建是數字化技術中的一個難題[9],如何不失真的標識細小血管,尤其在密度值相差不大的情況下準確的獲取目標圖像,將是我們亟待解決的問題。

[1] AckermanMJ.The visible human proje t:a resource for education[J].AcadMed,1999,74(6)∶667-670.

[2] SpltzerVM,AckermanMJ,Scherzi nger AL,et al.The visible human male:a tech nicaI repor t[J].J A m Med Infor m Assoc,1996,3(2)∶118-130.

[3] 左煥琛.電子計算機三維重建用于手解剖研究的初步探討Ⅲ[J].解剖學雜志,1986,9(6)∶237-242.

[4] 張紹祥,何光篪,劉正津.手掌部動脈的微型計算機三維重建及其臨床意義Ⅲ[J].第二軍醫大學學報,1989,11(6)∶409-414.

[5] Rim M,PattersonMEng,KarenW,et al.Carpal bone an atomy me as ured by computer an alysis of three-dimensional recons tructions of computed to mography images[J].J Hand Surg,1995,20∶923-929.

[6] Steven F,ViegasMD,Gilbe R,et al.Measure ment of carpal bone geometry by computer analysis of three-dimen sional CT images[J].J Hand Surg,1993,18∶341-349.

[7] 白桂有,張正治,熊 雁,等.手掌部筋膜間隙的斷面解剖學觀察及計算機三維重建[J],中華外科雜志,2004,42(20)∶1225-1227.

[8] 白桂有,張正治,可金星,等.手掌部分解剖結構可視化的初步研究[J].中國臨床解剖學雜志,2005,23(3)∶227-229.

[9] 篤 烈,羅述謙,鐘世鎮,等.數字化虛擬中國人女性 -1(VCH F-1)實驗數據集血管標識的突破進展 [J].科學中國人,2003,(4)∶4-8.

A study of establishment of digitized virtual wrist.＊

ZHANG Yuan-hua,HUANG Chao-tong,CHEN Long-fu,et al.＊Guangdong M edical College,Zhanjiang524001,Guangdong,CH INA

Objective To reconstruct anatomical structures and establish visible model of the wrist.M ethods W ith the datum from CT-scan of the specimen ofwrist,anatomical structureswere constructed by software of M I M ICS 10.01andmeasured.Results The visiblewristmodel based on anatomical structureswas established and main anatomical structureswere exactly showed.Each structurewas displayed by themultiform solitude or combination.Conclusion The visible wristmodel can provide 3D morphological data for clinic diagnosis and research,as well as provide digitized model for virtual reality.

W rist;3D reconstruction;Visible virtual;M I M I CS

R323.7+1

A

1003—6350(2010)02—006—03

張遠華(1980—),男,湖北黃岡人,碩士研究生,研究方向:創傷骨科。

2009-09-21)