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《南方医科大学》 2009年
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数字化组织瓣的虚拟解剖学测量及其临床初步应用

黎健伟  
【摘要】: 研究背景 目前,我国在遗体捐献和人体器官捐献方面的立法存在着不足,而且由于传统观念的束缚,大部分人在去世后很少愿意捐献器官和遗体,因此全国各地医学院校都存在缺乏医学研究用的尸体标本,而用于临床解剖教学中的标本更是严重匮乏。虽然解剖学教学大纲要求4到6个学生解剖一具尸体,随着各大医学院校扩招,学生每年逐渐增多,解剖教学经费的相对不足,现今往往是几十个学生解剖一具尸体,难以进行系统而细致的基础医学学习。目前,缺乏尸体进行教学研究是全国医学院校都面临的问题。如何解决在尸体源不足的情况下,通过开展其他途径和方法进行有效教学,从而使学生更好的掌握临床解剖学,是我们共同的目标。 随着科学技术飞速发展,多学科融合、交叉是各类学科发展的必然途径与趋势。目前数字医学已成为现代医学的重要组成部分,数字技术已经渗透到医学的各个领域,从而促使医学技术向个性化、精确化、微创化和远程化方向快速发展。采用现代影像学、电脑图形图像处理、计算医学、现代临床解剖学和骨科学相结合建立的“数字化组织瓣”可为学生提供立体、直观、动态的组织瓣解剖学基础,将单调的二维解剖图谱教学由平面变为立体,由静态变动态,由单面变多面,对在校学生无论是在课上还是课下,可系统地学习解剖学和开展临床教学训练均有较大的帮助。针对显微外科领域皮瓣的血管系统进行的解剖学研究已广泛开展,例如大体解剖、血管铸型和多层螺旋CT扫描等技术,为我们开展皮瓣血管形态学研究提供了新的手段和发展空间。 传统的皮瓣外科教学完全依赖于教科书上的两维平面图片以及尸体解剖来进行培训。但传统的解剖图谱大都是“理想化的”主观配色的模式图或半模式图,没有三维空间的立体效果和实体的真实感。而目前随着医学院校的扩招,以及尸体来源的减少,学生在尸体上的操作练习和感官体验的机会将会越来越少,从而大大影响了解剖学的教学效果。随着三维数字化重建开拓了人体解剖学研究的新领域,以及虚拟中国人工程的成功,将皮瓣的解剖结构用三维、多角度、可视化,动态地展现已成为可能,此技术大大增强人们对血管、肌肉、骨、皮肤毗邻关系的理解。这为立体的观察组织瓣营养血管情况以及临床的教学训练与模拟奠定了基础。无损伤、直观性强的多层CT,在心脑血管病变、椎管形态学研究方面取得了一些成功经验,同时在皮瓣血管形态学研究方面也提供了影像学技术手段,随着计算机处理技术手段的不断完善,使得重建皮瓣的三维解剖成为必须和可能,这为立体的观察皮瓣血供情况,提供良好的教学条件奠定了基础,从而实现了由平面解剖向立体解剖和数字解剖的发展。数字化三维重建技术不但可以丰富解剖学的教学手段,还能使在校学生无论在课上还是课下,都可随时随地的通过个人PC学习和巩固解剖学知识,大大的缩短了学习过程;三维构建的数字化组织瓣可以让年轻医师通过网络更有效的掌握和复习临床解剖知识,避免重回解剖室进行复杂的解剖工作,减轻工作压力,有利于手术的设计与模拟训练,降低手术风险,提高骨科的治疗水平。 数字化三维图像与构建的模型除了可用于临床多媒体解剖教学,还可导入虚拟仿真手术软件,进行手术培训。众所周知,传统的医疗手术训练模式和学习是按照“师傅带徒弟”的方式进行的,手术室就是教室,有经验的医生通过“作一个、看一个、学一个”的方式训练初学者,教学内容随机的依赖于病人的出现,有很大的不可预见性,难于进行系统的教学。同时这种训练方法势必延长手术时间,增加手术成本,甚至影响手术质量,因而常常遭到病人的抵制。虽然目的的多层螺旋CT可以进行三维重建并以获得很好的图像显示,但不能以其它方式导出,不方便进行临床应用和示教,而新的计算机技术可以利用动态三维图像对传统二维医学图像进行补充,用连续断层图像进行三维重建,可以精确地显示生物组织复杂的三维结构,并可进行任意旋转、剖切观察和操作;可以对重建的三维结构进行测量,获得长度、面积、体积和角度等大量精确的解剖参数;可以用于临床轴助诊断、辅助手术设计和手术模拟等方面。 虽然高速螺旋CT重建技术中已经成为临床上普遍采用的影像学检查手段。但CT及MRI等二维图像均难于反映局部解剖空间位置与毗邻关系。计算机辅助三维重建技术广泛应用于医学领域可很好的解决这个问题,其优点在于三维立体解剖结构可从任意角度、任意方向上地观察。在医学图像方面,“美国可视人计划(Visible Human Project)”(1989)在全球引起了巨大反响。数字人研究是现代计算机信息技术与医学等学科相互结合的前沿性交叉项目,对科技发展有着深远意义。1989年美国国立图书馆(NLM)举行电子图像处理特别规划工作组会议,会议通过了一个报告,认为图像为理解生物结构和机能提供便利,是医学教育、研究和保健的重要组成部分。“可视人”技术的不断完善和软、硬件技术的成熟使电脑构建的三维虚拟现实图形直接指导临床应用提供了条件,而人机交互界面及演示技术的发展为三维虚拟现实图像在临床的应用提供了一个很好的舞台。目前国外已利用“可视人”等技术设计出“虚拟现实”软件直接应用于医疗教学和临床训练。数字化和虚拟现实技术的出现为外科手术的训练和学习开辟了全新的途径。 数字化组织瓣的三维建模材料通常来源于CT、MR和人体切片,64排螺旋CT和3T-MR均能提供人体薄层端面利清晰图像,可视人体数据库为真彩色图像,能够清晰显示微细血管。医学图像重建软件Minics、Amira等均具有功能强大的高级数据可视化系统。目前数字化皮瓣的可视技术主要应用于解剖教学和临床训练。但是,数字化组织瓣虽然可以真是反映组织瓣的形态结构,血管走行,毗邻结构,但其是否能精确地进行临床手术设计和术前定位,我们还需更细化的研究。本课题在此基础上,我们选取供血动脉比较恒定的腓肠肌皮瓣和髂骨瓣进行三维数字化重建,并在Amira软件中进行解剖学测量,探讨两种不同方法重建的数字化组织瓣模型测量所得数据与尸体解剖数据是否存在差异,三维重建的组织瓣模型能否真实、准确的反映实体解剖学结构。为多媒体显微外科解剖学教学提供数据以及为三维临床手术设计和术前定位提供条件。 目的 1.探讨数字化三维重建技术在组织瓣中的构建。 2.通过虚拟解剖学测量,探讨数字化三维重建的组织瓣模型能否真实、准确的反映实体解剖学结构。 3.应用虚拟可视技术对患者进行个性化组织瓣三维重建,并指导腓肠肌皮瓣和髂骨瓣的手术设计和手术操作。 方法 1.数字化组织瓣的三维重建数据获取:①下肢血管正常成人6人(男女各3人),取得患者知情同意。螺旋CT扫描:术前碘过敏试验阴性,经肘正中静脉注射非离子型造影剂优维显300(碘普罗胺注射液,成份:碘普罗胺0.623g/ml,碘300 mg/ml,广州先灵药业有限公司)90 ml,注射速度3 ml/s,自动监测,手动触发。CT扫描参数:120 kV、200 mA;层厚5 cm(最后可拆成0.625mm的原始图像),将其数据以.DICOM格式导出。②新鲜捐献成人尸体2具,血管正常,无明显周围血管病变和瘢痕,采用Tang等改良的明胶.氧化铅灌注方法灌注,灌注前后均对全身行连续螺旋CT扫描,扫描条件:120Kv,110mA,参数:层厚0.5mm,矩阵512×512。将扫描数据以DICOM格式输入个人计算机的Amira4.1重建软件,经自动或手动阈值分割后采用表面重建方法SSD(surfaceshade display)重建血管、肌肉、骨骼以及皮肤图像。轮廓提取,利用Amira提供的画笔(Brush)、套索(Lasso)、魔术棒(Magic wand)等图像分割工具,对组织瓣各结构进行提取、生成面片,然后用“smooth label”对边界进行光滑处理,“removeislands”去除岛屿,根据计算机的配置情况对轮廓线进行适当简化,采用SDD进行三维表面重建。用同样方法对组织瓣血管、肌肉和骨骼等进行表面重建或容积重建,然后将重建的肌肉、血管、皮瓣、骨骼图像根据人体组织不同颜色给予着彩。对组织瓣血管、肌肉和骨骼等进行表面重建或容积重建并将其数据单独保存。最后制作movie进行动态观察和多媒体教学。 2.数字化组织瓣模型的解剖学测量用数字化三维重建方法将组织瓣模型构建后(方法同上),利用Amira4.1软件自带测量工具对重建模型进行测量,对氧化铅灌注和血管造影两种不同构建方法的数字化组织瓣与正常尸体解剖数据进行比较,分析各自的特点。 3.数字化组织瓣的临床初步应用选择2007年3月至2008年12月需腓肠肌皮瓣创面修复的3例患者,以及采用旋髂深血管支髂骨瓣对股骨干骨折和胫骨骨折缺损以及骨不连进行骨缺损修复的2例患者。术前经肘正中静脉注射优维显后,用螺旋CT进行扫描(参数:120 kV、200 mA;层厚5 cm)。将扫描数据以.DICOM格式输入个人计算机的Amira4.1重建软件,经自动或手动阈值分割后,采用表面重建SSD法重建组织瓣供区血管、骨骼和(或)皮肤,并显示血管与毗邻组织的关系。应用软件自带测量工具对血管蒂、骨瓣长度进行测量。依据测量结果及忠者骨缺损长度和皮肤损伤面积对重建图像进行图像切割、表面重建,构建患者的个性化组织瓣。术前手术组将重建图像仔细演示,根据重建图像于患者供区组织瓣设计出点、线、面,术中仔细校对动脉与重建血管的走行是否相符,并依重建图像大小切取组织瓣。 结果 1.数字化三维重建技术可以直观准确地显示正常组织瓣的三维解剖形态,血管走行和组织瓣的毗邻结构。特别是动脉的分支情况和体表的投影得到很好的显示。利用软件自带的Movie Maker模板创建电影文件,画面清晰流畅,可直观、立体的显示形态特征,方便临床解剖教学。 2.重建的数字化模型测量数据与尸体组织瓣的解剖学数据基本相符。腓肠肌皮瓣氧化铅灌注显示,腓肠肌内侧动脉起始处与穿支点的距离平均1.8cm,重建出的穿支血管数平均为5条,外径为0.3~0.8mm,腓肠内侧动脉主干血管外径平均为2.6 mm;影像学造影显示,腓肠肌内侧动脉起始处与穿支点的距离平均2.0 cm,重建出的穿支血管数平均为2条,外径为0.1~0.5 mm,腓肠内侧动脉干血管外径平均为2.0 mm。骼骨瓣氧化铅灌注显示,旋髂深动脉起始点距髂前上棘的距离为4.2cm,旋髂深动脉主干外径平均为3.1 mm,髂嵴内段穿支血管数平均为6条,外径为0.5~0.9 mm;影像学造影显示,旋髂深动脉起点距髂前上嵴平均5.2cm,旋髂深动脉外径平均为2.2 mm,髂嵴内段穿支血管数平均为2条,外径为0.2~0.5mm。 3.所重建个性化腓肠肌皮瓣的患者3例,均能够清晰显示血管、皮肤及其毗邻结构的三维关系。并根据术前创面缺损大小,对皮瓣进行精确设计。其中2例病人所显示的皮瓣主要穿支及主干,与术中检查相符;1例显示皮瓣主干血管,但穿支显示不清,术中探查穿支血管平均约0.5 mm,最小穿支均小于0.3 mm。术后3例皮瓣全部成活。三维重建患者个性化骨瓣2例,所重建个性化髂骨瓣,能够清晰显示血管、骨骼及其毗邻结构的三维关系。并根据术前骨缺损大小,对骨瓣进行精确设计。2例病人所显示的骨瓣主要血供主干,均与术中检查相符。术前测量旋髂深动脉起点距髂前上嵴平均4.28 cm,旋髂深动脉外径平均为2.4mm,穿支血管数平均为3条。术后2例髂骨瓣全部成活。 结论 1.采用数字化三维重建技术可以直观显示正常组织瓣的三维解剖形态,可实现更多人体解剖结构可视化,为解剖教学展示提供参考,完善和丰富显微外科临床与解剖教学手段,弥补了尸体解剖教学标本不足的问题。 2.数字化组织瓣的虚拟解剖学测量数据在实体组织瓣测量数据的范围之内,并能够准确的显示组织瓣的血供来源与血供形式,为今后大体解剖学测量提供了新的思路。 3.术前依据个性化的重建图像结果对组织瓣进行精确的设计、定位,有助于提高外科手术的质量和可靠性。
【学位授予单位】:南方医科大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:R322-4

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