三維重建技術(shù)在穿支血管解剖中的應(yīng)用*

張繼方 譚建國(guó) 陳曉琳 連飄飄 張康佳 張柏城 周小兵

（南華大學(xué)衡陽(yáng)醫(yī)學(xué)院應(yīng)用解剖學(xué)與生殖醫(yī)學(xué)研究所，衡陽(yáng) 421001）

供養(yǎng)人體皮膚的每一條穿支血管均有一個(gè)明確的分布范圍，即穿支皮瓣的解剖學(xué)供區(qū)，也稱之為穿支體區(qū)[1]。每一條穿支體區(qū)借助周邊的穿支血管吻合互相連接[2]，緊鄰解剖學(xué)供區(qū)的被稱之為動(dòng)力學(xué)供區(qū)，若再繼續(xù)向遠(yuǎn)鄰的供區(qū)延伸則稱之為潛力供區(qū)[3]。因此，如欲切取“跨區(qū)穿支皮瓣”則必須了解其周邊連接血管的特性[4]。對(duì)尸體標(biāo)本或活體進(jìn)行CT血管造影后，應(yīng)用“后處理軟件”可清晰顯示全身各部位穿支血管的解剖學(xué)細(xì)節(jié)。使用交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)（Materialise Interactive Medical Image Control System，Mimics 17.0，Materialise，Leuven，Belgium），可快速方便地顯示皮下血管網(wǎng)、穿支血管及其源動(dòng)脈的三維分布狀況與毗鄰結(jié)構(gòu)，包括淺層肌、肌間隔等，不僅有利于基礎(chǔ)研究工作者進(jìn)行系統(tǒng)的解剖學(xué)研究，亦可輔助臨床工作者進(jìn)行穿支皮瓣的術(shù)前設(shè)計(jì)與術(shù)中導(dǎo)航。

1 材料和方法

1.1 一般資料

新鮮成人整尸10具，男7具，女3具，平均年齡70歲，平均身高170 cm，均由南華大學(xué)衡陽(yáng)醫(yī)學(xué)院人體形態(tài)中心提供。標(biāo)本篩選標(biāo)準(zhǔn)包括無(wú)嚴(yán)重的血管疾病、大范圍的肌肉萎縮與外科瘢痕等。

1.2 動(dòng)脈造影與應(yīng)用解剖

所有尸體均進(jìn)行一次性明膠-氧化鉛全身動(dòng)脈造影與多排螺旋CT（MDCT）掃描[5-7]。為獲得全身皮下血管網(wǎng)和各層次結(jié)構(gòu)清晰的解剖圖像，尸體血管造影時(shí)，將尸體標(biāo)本在水槽里懸浮進(jìn)行灌注，避免局部受壓而灌注不到位[6]。CT掃描的技術(shù)參數(shù)因體型、部位及造影情況而異，根據(jù)預(yù)掃描調(diào)整到最清晰為準(zhǔn)。

1.3 局部三維建模

應(yīng)用Mimics工作站先行整個(gè)尸體的三維重建并保存，在此基礎(chǔ)上分割出頭頸、軀干、四肢等幾個(gè)部分，根據(jù)研究需要進(jìn)一步分割，如大腿、小腿、足等，數(shù)據(jù)分別保存，加快三維可視化的速度，增加清晰度。然后，應(yīng)用快速直接體繪制方法（volume rendering，VR），由淺至深，或由深至淺，對(duì)選定的部位進(jìn)行連續(xù)三維重建，以顯示各部位主要穿支的位置及相互間的吻合情況。逐層重建時(shí)首先應(yīng)用“mask”模塊的骨骼選項(xiàng)三維重建骨與血管（灰度值相似），然后通過拖動(dòng)“volume rendering”水平軸及斜線上的滑塊改變灰度值，由淺至深（或由深至淺）進(jìn)行三維可視化連續(xù)層次解剖。移動(dòng)改變CT灰度值的滑塊，可隨時(shí)停留在任一層面，所做的層次解剖比傳統(tǒng)的層次解剖要精細(xì)得多，理論上是“無(wú)數(shù)層”。當(dāng)需要對(duì)某一重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)，或需要判斷某些結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系時(shí)，則將兩者重合，啟用三維導(dǎo)航錨（3D-Navigation Locator）予以確認(rèn)與驗(yàn)證。之后，利用該軟件中的其他工具：Tresholding、Region growing、Edit mask in 3D、Measurement等構(gòu)建三維可視化模型[8]。重點(diǎn)觀察與顯示皮下血管網(wǎng)、穿支血管及其源動(dòng)脈、淺層肌及肌間隔等。

2 結(jié)果

2.1 尸體血管造影3D可視化顯示

應(yīng)用快速直接體繪制方法，可以非常清晰地顯示全身各部位穿支血管的位置與口徑以及相鄰穿支體區(qū)間的吻合情況，尤其是不減小口徑的真性吻合（圖1）。

2.2 連續(xù)層次三維解剖3D可視化顯示

重建的圖像可以清晰地分層顯示皮膚輪廓、皮下血管網(wǎng)、穿支血管（圖1，圖2A、B）、穿支源動(dòng)脈和骨骼（圖2）。也可以清晰地顯示穿支的位置與口徑、穿支體區(qū)內(nèi)皮下血管網(wǎng)的分布特征、穿支血管的走行方向及長(zhǎng)度（圖2），穿支來(lái)源與分布范圍、及其毗鄰穿支體區(qū)間的相互關(guān)系等信息。

圖1 尸體局部皮下血管網(wǎng)（動(dòng)脈）。

圖2 整尸標(biāo)本一次性全身血管造影，右大腿連續(xù)層次三維重建解剖視圖（前面觀）。

3 討論

由于疊影的原因，一幅視圖難以同時(shí)顯示人體某部位的諸多層次結(jié)構(gòu)，深層結(jié)構(gòu)會(huì)被細(xì)密的皮下血管網(wǎng)遮擋而不能清晰地顯示。因此，要全面地了解某部位的完整信息，連續(xù)層次三維解剖是必要的。

3.1 三維重建的常用軟件與方法

三維重建的軟件很多，包括CT機(jī)自備軟件以及各種CTA數(shù)據(jù)的后處理系統(tǒng)，如3D Med、3D Slicer、Amira、3D doctor、Mimics等，一般而言，后處理系統(tǒng)的功能相對(duì)強(qiáng)大。通常使用Mimics軟件進(jìn)行三維可視化連續(xù)層次解剖，主要方法有3種：

3.1.1 應(yīng)用“mask”模塊中的Predefinded thresholds sets功能 由于其分層的主要依據(jù)是灰度值，而人體內(nèi)有些組織結(jié)構(gòu)在不同層面有廣泛分布，如筋膜，血管等。特別是經(jīng)血管造影處理后，血管中造影劑的灰度值與骨密質(zhì)相當(dāng)。故此方法在MRI或血管造影前的CT掃描資料的三維重建效果不錯(cuò)，而造影后的血管與骨骼就難以分別重建了。

3.1.2 模仿數(shù)字人三維重建的方法 在CT掃描的原始視圖上人工標(biāo)識(shí)層次及主要結(jié)構(gòu)，進(jìn)行配準(zhǔn)、分割與分類，然后三維重建。這樣得到的結(jié)果準(zhǔn)確，但對(duì)設(shè)備、解剖學(xué)知識(shí)及電腦操作技術(shù)的要求高，難度極大，非常耗時(shí)[9]。適于基礎(chǔ)研究，不便于臨床推廣。

3.1.3 連續(xù)層次解剖 啟用Segmentation菜單，通過拖動(dòng)“volume rendering”模塊中的水平軸及斜線上的滑塊改變灰度值，由淺至深（或由深至淺）進(jìn)行快速3D可視化連續(xù)層次解剖。其特點(diǎn)是快速而精準(zhǔn)，尤其是對(duì)經(jīng)造影處理后的血管可自動(dòng)配準(zhǔn)，穿支與毗鄰結(jié)構(gòu)清晰可辨，非常適合于術(shù)前皮瓣設(shè)計(jì)及術(shù)中導(dǎo)航。

基礎(chǔ)研究時(shí)，通常是多種方法并用，方可獲得層次分明、毗鄰結(jié)構(gòu)清晰的三維立體視圖。而且還可對(duì)不同類型的組織進(jìn)行透明、色彩調(diào)整、組合與裁剪等處理。如欲觀察某一血管體區(qū)之全貌，可點(diǎn)擊菜單中的“區(qū)域生長(zhǎng)（region growing）”功能鍵，然后在原始數(shù)據(jù)的視圖中選定其血管干為生長(zhǎng)原點(diǎn)，就能一次性自動(dòng)配準(zhǔn)與重建整個(gè)血管體區(qū)及其穿支體區(qū)，真實(shí)地顯示皮瓣設(shè)計(jì)與移植所需的穿支血管的解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)和實(shí)際分布范圍的大小[10-12]。本研究中采用第1和第3種方法對(duì)血管進(jìn)行三維重建。

3.2 穿支血管的定位和選擇

與傳統(tǒng)皮瓣不同，穿支皮瓣的血管蒂剝離方式為逆向解剖[13]，即“從外周的穿支血管追蹤至源動(dòng)脈”。所以，術(shù)者面臨的首要問題就是穿支血管的定位，以及如何選擇合適的穿支血管作為皮瓣的血管蒂。因而必須了解穿支的位置、行程與方向，以及穿支口徑等，這些信息均可以從CT血管造影圖像上獲得。為確保最佳的皮瓣血液灌注，穿支血管最好設(shè)計(jì)在皮瓣的中央部位[14-15]，其兩旁緊鄰的穿支體區(qū)均為動(dòng)力學(xué)供區(qū)，皮瓣易于成活，4個(gè)穿支中P2為最佳血管蒂的選擇，圖1B中的P1、P2均可作為皮瓣的血管蒂。

但是，由于造影劑與影像捕捉時(shí)相等因素限制，活體血管造影通常僅能夠顯示比較粗大的穿支血管，難以清晰地顯示皮下組織血管網(wǎng)及穿支間的吻合情況，提供的信息有限，所以在穿支皮瓣術(shù)前設(shè)計(jì)過程中，CT血管造影僅能起到輔助參考作用。尸體的CT血管造影沒有上述限制，可為基礎(chǔ)研究提供更多有效信息。依皮瓣包含穿支體的數(shù)目可將穿支皮瓣分為2大類：① 單穿支皮瓣，類似于傳統(tǒng)的軸型皮瓣（如圖2B、C中的白色箭頭所示）；② 多穿支跨區(qū)皮瓣，有別于傳統(tǒng)的軸型皮瓣，如股前外側(cè)皮瓣，其供血?jiǎng)用}是旋股外側(cè)動(dòng)脈降支，包含降支發(fā)出的多個(gè)穿支血管。如圖2B所示的皮瓣設(shè)計(jì)，以P2為蒂的多穿支跨區(qū)皮瓣包含了穿支P1、P2、P3和 P4。P2通過與其他穿支之間的真性血管吻合（圖2B中綠色箭頭所示），具備了攜帶多個(gè)相鄰連續(xù)穿支體的能力。因此，選擇粗大的穿支血管為蒂，盡可能保留穿支體之間的真性吻合，可以最大程度地避免皮瓣供血不足。血管造影后的連續(xù)層次三維解剖視圖可以為多穿支跨區(qū)皮瓣設(shè)計(jì)提供可靠的形態(tài)學(xué)依據(jù)，經(jīng)過多例尸體解剖尋找到的同一區(qū)域的血管解剖特征規(guī)律可以為臨床醫(yī)生的皮瓣設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3.3 穿支皮瓣的切取范圍

為確保血運(yùn)，皮瓣最好不要向一個(gè)方向跨越2個(gè)阻力血管區(qū)。如圖2所示，以P2為蒂，P1與P3均為其動(dòng)力學(xué)供區(qū)，即解剖學(xué)供區(qū)加動(dòng)力學(xué)供區(qū)，可得到包括3個(gè)穿支體的皮瓣。但如圖2B所示，P4與P3之間存在真性血管吻合，那么P2可得到P4作為潛力供區(qū)，以P2為蒂可以設(shè)計(jì)包括4個(gè)穿支體的皮瓣。股前外側(cè)區(qū)的單個(gè)穿支可切取皮瓣的解剖學(xué)供區(qū)為10 cm×6 cm，若加上鄰近的穿支體作為動(dòng)力學(xué)供區(qū)，可得到20 cm×10 cm大小的皮瓣，若進(jìn)一步將遠(yuǎn)鄰的穿支體作為潛力供區(qū)，則可切取更大的皮瓣[16]。目前，尚缺乏公認(rèn)的能預(yù)估1條特定穿支血管所能營(yíng)養(yǎng)的最大皮瓣面積的客觀檢測(cè)手段，外科醫(yī)生可根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有的一些皮瓣血運(yùn)監(jiān)測(cè)手段，如吲哚菁綠血管造影技術(shù)（ICG angiography）等實(shí)時(shí)灌注成像技術(shù)，來(lái)預(yù)估皮瓣的安全切取范圍[17]。

3.4 應(yīng)用解剖學(xué)要點(diǎn)

3.4.1 聯(lián)合取瓣應(yīng)考慮其各自來(lái)源 在設(shè)計(jì)“多穿支跨區(qū)皮瓣”時(shí)，即便是在同一供區(qū)探測(cè)到多條較粗大的穿支，亦應(yīng)考慮其各自來(lái)源，是否適合聯(lián)合取瓣。因?yàn)橥创┲w間存在明顯的血管吻合，而非同源穿支體間的血管不一定有吻合[1]，或者說幾乎沒有真性吻合。如前臂背側(cè)中、下1/3區(qū)是骨間后動(dòng)脈與骨間前動(dòng)脈背側(cè)穿支的交匯處，可能會(huì)存在多個(gè)穿支血管，但它們之間不一定存在明顯的吻合。因此，當(dāng)背側(cè)跨區(qū)皮瓣達(dá)前臂遠(yuǎn)端1/3部的時(shí)候，皮瓣部分壞死的概率增多[18]。所以，單純進(jìn)行局部穿支定位是不夠的，還應(yīng)了解相鄰穿支的吻合情況，并逆行追蹤其來(lái)源。

3.4.2 動(dòng)脈分布的彼此互補(bǔ)（替代、互反）主要有2種情況 ①就同一區(qū)域而言，通常以某1條動(dòng)脈供血為主，但是也有由另一動(dòng)脈為主供血的現(xiàn)象。②就人體局部而言，其相鄰區(qū)域的動(dòng)脈供血也有互反現(xiàn)象，如股前外側(cè)區(qū)與內(nèi)側(cè)區(qū)的穿支分布，大多數(shù)是前外側(cè)區(qū)的穿支較粗大，但亦有相反的情況。如小腿后內(nèi)側(cè)區(qū)與后外側(cè)區(qū)，常見腓腸內(nèi)、外動(dòng)脈穿支的互反。因此，臨床上可根據(jù)不同需要設(shè)計(jì)皮瓣，利用其互補(bǔ)性選擇最佳術(shù)式[19]。

3.4.3 尸體與活體血管造影可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ) 尸體血管造影的三維視圖可非常清晰地顯示全身各部位皮下血管網(wǎng)、相鄰穿支體間的吻合情況、尤其是真性吻合。但由于細(xì)密的皮下血管網(wǎng)遮擋，淺層肌及其營(yíng)養(yǎng)血管難以顯示，而活體血管造影則可以清晰顯示上述結(jié)構(gòu)。一方面由于活體造影劑對(duì)X線的遮擋效應(yīng)相對(duì)較弱，另一方面活體血管中的造影劑隨血流快速流失。一旦血管中造影劑被稀釋后，小血管便無(wú)法被顯影，如局部皮下血管網(wǎng)，尤其是相鄰穿支體區(qū)間的choke血管吻合情況更無(wú)法顯影，而難以重建完整的血管體區(qū)。所以，活體造影不便于探索跨區(qū)穿支皮瓣的血流動(dòng)力學(xué)特征及穿支分布規(guī)律等。尸體或殘肢標(biāo)本的血管造影使用氧化鉛或氧化鉍等重金屬，密度大，對(duì)X線的吸收多，遮擋效應(yīng)好。即便是細(xì)密的皮下血管網(wǎng)、choke血管等仍可清晰顯示。因而有利于展示完整的血管體區(qū)、穿支的分布范圍及毗鄰關(guān)系，以及choke血管的形態(tài)特征，可以了解更多的血管細(xì)節(jié)，更進(jìn)一步深入探討跨區(qū)穿支皮瓣的血流動(dòng)力學(xué)特征及穿支分布規(guī)律等。但也有不足之處：由于細(xì)密的皮下血管網(wǎng)遮擋，淺層肌及其營(yíng)養(yǎng)血管等難以顯示。因此，尸體與活體血管造影兩者結(jié)合可獲得最佳結(jié)果。

CTA數(shù)據(jù)后處理軟件Mimics可以輕松而快速地創(chuàng)建精準(zhǔn)的三維模型，執(zhí)行特定的解剖分析。尤其是使用造影劑對(duì)血管進(jìn)行標(biāo)識(shí)后，可以自動(dòng)識(shí)別、配準(zhǔn)并分割出完整的血管體區(qū)，非常適于皮瓣外科的基礎(chǔ)研究、術(shù)前皮瓣設(shè)計(jì)與術(shù)中導(dǎo)航，值得探討與推廣。從單純的三維重建技術(shù)角度來(lái)講，所使用的每一種方法都不難，但將解剖學(xué)知識(shí)與臨床需要相結(jié)合，清晰展示了血管體區(qū)之間的相互關(guān)系，為設(shè)計(jì)跨區(qū)皮瓣提供了形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。