CT三维表面重建辅助颌面部整形手术系统的研究

【摘要】：前 言 颅面部结构复杂,是多个重要器官集中区,同时又关系到容貌,涉及颅面部的外科手术难度高,危险性大,而且必须容貌与功能兼顾。颅面部整形外科对影像学提出了较高的要求,要求术前必须准确诊断,确定病变范围,提供三维立体视觉,显示复杂的空间结构,准确测量三维形态参数,设计手术径路和方案,模拟手术,预测手术对面容的影响等。为了满足颅面部整形外科的临床需求,CT三维重建辅助颅面部整形手术系统开始出现,它是最近的10多年间兴起的新兴交叉学科,正方兴未艾,特别是在最近几年得到了广泛的应用,发展非常迅速,一直是国内外研究与应用的热点。但是,目前所有虚拟颅面部整形手术系统都存在这样或那样的不足或缺陷,临床使用的虚拟手术系统远没有达到理想的目的,多数也只是进行切割,旋转,测量,观察器官间的比邻关系。操作比较麻烦,使临床应用受到了限制和不方便。面部三维计算机手术设计和结果预测的研究目前尚处于起步阶段,不能达到交互式和实时。手术预测也仅局限于骨性部分,而且不能预测软组织改变。本研究利用三维影像可视化和计算机技术,通过CT扫描得到患者的头颅断面数据,将采集到的数据传入自行开发的计算机虚拟颅面部虚拟手术和预测系统,目的是开发一种使用方便,能虚拟手术和预测手术对面容的影像的系统。 WP=9 第一部分:建立颅面部虚拟手术系统 目的: 建立一个可以进行虚拟颅面部整形手术的计算机系统。 材料与方法: 在上海英迈吉东影图像设备有限公司的帮助下,在计算机Windows 2000环境下,采用面向对象的设计和软件工程规范,用C++语言编写。要求具有丰富的图形图像处理与分析功能,不仅具有完善的二维图像处理分析功能,而且具有强大的三维处理与分析、网络传输与数据存储等功能。在软件开发过程中,借鉴了国内外优秀图像工作站的相关技术,还集成了大量课题组成员自己过去的研究成果。系统采用全中文用户图形界面。 结果: 该系统实现的功能如下: 1.全面的数据接口解决方案 (1)支持网络环境。 (2)支持DICOM通信网关方式从网络获取影像数据,可以直接读取标准DICOM 3.0格式文件。 (3) 可以直接读取多数厂家以ACR-NEMA2.0格式为主体的数据文件。 (4) 支持各种通用图像格式如BMP/JPEG/TIFF等。 2.强大的二维和三维影像操作处理功能。 (1) 丰富的二维图像处理功能,能对影像进行窗宽/窗位调整、滤波、去噪、缩放、翻转、CT值的读取、镜像、多部位同步播放与放大等操作。 (2) 具有对正常组织和异常病变部位的分割功能和三维重建等功能。 (3) 具有对三维模型进行旋转变换及多层组织的面显示、体 WP=10 显示功能。 (4) 可以实现切片重组、手术模拟等操作。 (5) 具有对象、标注、测量功能。 3.灵活的数据管理方式 (1) 用户可以选择数据库或文件管理方式。 (2) 本地数据库,可以管理10000个病人资料。 结论: 手术仿真操作的过程即是交互式目标结构数据操作的过程。首先将三维体数据分解成若干空间子区域,在每个子区域内选择不同的目标,对子区域内指定目标进行空间平移和旋转显示。在本系统中,这种空间子区域用一个多面体来进行定义,运用计算机图像图形学方法,不必对原始数据作任何改动,即可对该多面体内的指定目标进行任意方向移动和旋转,不将其简单的消隐,而是与余下的部分同屏显示。所谓切割即将某集合内的数据去除,而让其两边的数据分开。而所谓移动,即是将该集合内的数据搬走。由于将原始三维数据完好地保存着,改变的只是子区域的多面体描绘结构,因此可反复模拟操作。 第二部分:辅助颅面部虚拟手术系统准确性检测 目的: 通过计算机三维模型测量和直接测量的比较,检测辅助颅面部整形手术系统的准确性,以便应用于临床。 资料与方法: 1.CT图像采集: (1) CT检查对象:5名,男10,女5,年龄8～67岁,平均58岁。10名是因头晕、头痛等症状来检查,需要进行头部、鼻 WP=11 咽部CT扫描,但CT检查结果正常的患者。 (2) CT扫描方法:用螺旋CT对检查对象进行常规CT扫描,电压125KV,电流150mA,1.0s,slice 3mm,pitch 1:1.5,矩阵 512×512,重建算法为标准算法。扫描支架无角度,扫描时检查者仰卧于检查床,扫描范围从下颌骨最低点连续向上扫描至颅顶,包括整个头颅,行水平扫描。扫描后,将CT图像的原始数据进行厚层到薄层再重建,重建成为1mm层厚的图像。 2.重建模型三维测量: 分别将每人的二维CT扫描图像输入CT工作站和虚拟手术工作站,进行三维表面重建。然后用工作站上的测量软件对重建的三维模型进行三维测量,包括纵向、横向和前后方向的测定。具体有头最大长、头最大宽、全头高和头矢状弧等4项。 3.人体头面部直接测定: 分别对上述10人进行头面部直接测定,按经典人类学测量方法选定解剖标志点。测量项目与CT工作站、虚拟手术工作站三维重建模型测量一致,由另一高年资主治医生测定。将二种测量方法所得结果用双盲法进行比较,用配对t检验统计方法处理。 结果: 对头最大长、头最大宽、全头高和头矢状弧等分别用人体直接测量、CT工作站测量和计算机辅助三维系统测量三种方法测量的结果进行比较。发现所有4项测量项目的三维重建模型测量值与直接测量值略有差别,有的值直接测量略大,有的