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基于个人计算机的皮瓣三维可视化研究

徐凯  
【摘要】: 研究背景 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、血管铸型等。多层CT(MSCTA)在临床实践中的成功应用,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。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,同时也为我们在皮瓣血管形态学研究方面也提供了影像学技术手段,加之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以及制定最佳的手术入路和治疗方案奠定了基础,实现了由平面解剖向立体解剖和数字解剖的发展。 目前在临床一线,皮瓣的设计主要依赖于医生的临床经验,要确定皮瓣的位置、大小、几何形状以及与周围血管组织之间的空间关系,只能凭医生“在头脑中进行重建”,无法准确地定量分析。现代皮瓣外科学的发展迫切需要显示其血供等复杂结构和功能的三维图像系统,为临床医生的培训、手术入路的设计、手术过程的虚拟和术中的精确导航提供支持,同时随着人体标本来源的日趋减少,有必要建立一整套包括常用皮瓣、肌瓣和骨瓣在内的三维解剖以供骨科临床教学和训练所用,随着“虚拟人”、计算机虚拟技术和现代医学影像技术的快速发展,使得虚拟皮瓣外科手术的研究与应用成为可能。数字化技术可以缩短学习过程、有效的掌握三维解剖、有利于手术的设计与模拟训练、降低手术风险、提高皮瓣外科治疗水平。本研究采用现代影像学、计算医学、现代临床解剖学和皮瓣外科学相结合进行跨学科、多学科交叉研究;利用动脉造影技术、氧化铅血管灌注技术和数字化图像处理技术建立常用皮瓣的三维数字化模型;建立数字化皮瓣外科多媒体教学视频系列光盘,以供临床教学、手术设计等所用。该项目的研究,将“虚拟皮瓣”技术与三维CT数据相结合作用于学科领域,将单调的二维式训练、手术模拟及手术训练由平面变为立体,由静态变动态,由单面变多面,对立体、数字化皮瓣外科解剖学的建立和临床教学训练、临床诊疗水平的提高、手术设计及手术的模拟均有较大的帮助。 在以往的医学可视化系统中,一般都要使用昂贵的专业图形工作站,甚至使用多CPU处理器的超级计算机或使用分布式计算的方法来实现。各个影像设备的医学图像工作站,虽然有高速高性能的专用医学图像处理芯片和多CPU并行处理能力与相应的支持诸如OpenGL和Direct 3D等图形加速标准的专业级显卡的支持,以及自带的软件体系,但是其系统过于庞大,价格昂贵,且数据在不同厂商的MOD及其驱动器在容量和格式上不兼容,软件加密捆绑,另外鉴于CT、MRI和DSA等控制台计算机一般忙于日常多科室临床病人检查的信息输入、照相等操作,不能为专科临床医生提供独立的工作环境等等诸多的弊端,能否在个人计算机上进行皮瓣三维图像处理成为未来的趋势。个人计算机图形处理的主要特点是能在相对较低的价位满足一般医学工程应用,并且一些软件厂商已经把大部分主流应用软件部分或全部移植到个人计算机平台上。因此在本次研究中,我们初步探索利用个人计算机及单机版重建软件对皮瓣动脉二维扫描图像进行二维或三维分析处理,如对感兴趣区域的分割提取、三维可视化重建,结果满意,可以辅助医生对皮瓣结构及其它感兴趣区域进行定性直至准确的定量分析。 目的 1.通过薄层连续CTA扫描显示皮瓣动脉三维形态; 2.通过观测氧化铅灌注动脉连续横断面的走行,建立皮瓣动脉的可视化数字模型。 3.提供皮瓣正常三维动态解剖以供临床教学,建立部分常用皮瓣的三维数据库,有助于手术入路的选择和手术设计。 材料和方法 1.皮瓣可视化研究个人计算机系统:系统硬件平台:本系统采用ACER的便携式个人计算机,CPU为Intel CoreTM Duo Processor T2050(1.6GHZ,533MHzFSB,2MB,L2,cache,内存1GB的DDR2 533MHz模块,硬盘80G,NVIDIA GeForce Go 7300图形卡带128MB GDDR2 VRAM显存,显示器15.4英寸WXGA200-nitAcer CrystalBriteTM高亮TFT LCD,显示器最佳分辨率1280×800像素,16ms反应时间。软件:操作系统:windows XP;应用软件Photoshop7.0、Geomagic Studio 5.0和RapidForm2004,包含图像处理在内的各种应用工具箱;图像可视化研究平台:Amira软件。 2.下肢CTA造影皮瓣动脉可视化初步研究:图像来源:数据来源为南方医科大学珠江医院CT室采集的5例下肢CTA扫描数据集。采用philips 64层螺旋CT机,增强后行容积扫描,扫描范围从腹主动脉至足趾,管电压120 kV,管电流250~300 mA,层厚1mm×64,床速47.5 mm/圈,螺距0.891,图像重建层厚1mm,重建间隔0.5mm。增强对比剂均选用非离子型对比剂碘比乐,用高压注射器,注射流率为3.5~4.0ml/s,经肘静脉(利用套管针)快速加压静脉注射,注射对比剂总量1.5ml/kg。选主动脉层面,使用智能触发技术,CT值设为200~250HU,智能触发扫描延迟时间5s。使用philips 64层螺旋CT三维工作站“Brilliance”和个人计算机进行图像后处理,并进行对比。 3.氧化铅动脉灌注皮瓣可视化初步研究:图像来源:新鲜捐献成人尸体1具,采用改良的明胶—氧化铅灌注术经腹主动脉灌注,灌注后对全身行连续螺旋CT扫描,扫描条件:120kV,110mAs,参数:层厚2mm,矩阵512×512。利用Amira提供的画笔(Brush)、套索(Lasso)、魔术棒(Magic wand)和Blow四种图像分割工具,对皮肤、血管及骨骼结构:进行轮廓提取、生成面片,根据计算机的配置情况对轮廓线进行适当的简化,进行表面重建和体重建。 结果 1.下肢CTA造影皮瓣动脉可视化初步研究:肢体CTA技术为临床皮瓣设计提供新的思路,不但可以了解肢体血管的变异和病变,明确患者是否适合行游离皮瓣移植,而且提供了常规血管物理检查无法提供的3D信息,通过CTA数据实施肢体动脉三维可视化重建,可追朔皮瓣深部的动脉干来源和行程,特别是对施术中调整血管蒂的蒂长和径粗两方面,均有较大的灵活性,增强了可靠性,但是由于管径细小的动脉显影欠佳,重建效果还待进一步提高。应用三维重建方面,通过对比,个人计算机具有丰富的手动分割工具,自动或交互式图像分割与提取等功能,三维重建效果更加优秀,可满足临床需求。 2.氧化铅动脉灌注皮瓣可视化初步研究:基于个人计算机为平台,运用Amira4.1图像处理软件,对明胶—氧化铅混悬液的灌注切片数据进行动脉皮瓣三维重建的实现方法。本研究重建了皮瓣主要构成,重建的三维结构可以多彩色、透明或任意组合显示,经不同角度观察,整体显示清晰、实体感强,皮肤、动脉的相互关系一目了然,在三维表面重建的图像中可清楚地观察各解剖结构的形态,特别是皮瓣动脉的分支情况和体表的投影情况得到了很好的显示。在表面三维重建的静态显示的基础上,利用软件的MovieMaker模块创建电影文件(Creating movie files),将其制作为电影,利用你选择的电影播放器(Windows媒体播放器或其它类似工具),来播放观看形成的电影文件,画面清晰流畅,直观、可完成360度的旋转,立体的显示了其形态特征。 结论 1.薄层连续CTA扫描可以显示部分皮瓣血管的形态,三维重建可以提高临床医师对皮瓣观察和手术设计水平。 2.依据氧化铅CT数据集能够提供完整精确的皮瓣血管断面解剖,其三维重建为术前诊断和外科治疗提供了良好的形态学依据。 3.基于个人计算机的皮瓣可视化研究系统的实现,为临床医师提供了个性化的研究平台。


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