腕部骨骼血管數(shù)字化虛擬

張遠(yuǎn)華,黃潮桐,陳隆福,李敬礦,陳冬生

(1.廣東醫(yī)學(xué)院,廣東 湛江 524001;

2.廣東醫(yī)學(xué)院附屬厚街醫(yī)院顯微外科中心,廣東 東莞 523945)

·論 著·

腕部骨骼血管數(shù)字化虛擬

張遠(yuǎn)華1,黃潮桐2,陳隆福2,李敬礦2,陳冬生2

(1.廣東醫(yī)學(xué)院,廣東 湛江 524001;

2.廣東醫(yī)學(xué)院附屬厚街醫(yī)院顯微外科中心,廣東 東莞 523945)

目的 應(yīng)用數(shù)字化腕部技術(shù)構(gòu)建腕部骨骼血管等重要解剖結(jié)構(gòu),建立虛擬腕骨及其滋養(yǎng)血管結(jié)構(gòu)和形態(tài)。方法 采用新鮮成人手標(biāo)本經(jīng)灌注處理后,通過 CT掃描獲得數(shù)據(jù)集,利用M I M ICS軟件重建腕部的外形、骨骼、動(dòng)脈等,并對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解剖學(xué)觀察。結(jié)果 建立了基于解剖結(jié)構(gòu)的可視化腕部骨骼血管模型并精確顯示腕骨及其滋養(yǎng)血管結(jié)構(gòu)和形態(tài),各結(jié)構(gòu)可單獨(dú)、聯(lián)合顯示,可任意旋轉(zhuǎn),模型透視及多剖面顯示。結(jié)論 腕部骨骼血管可視化模型為臨床提供三維形態(tài)學(xué)資料,也為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供數(shù)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(guó) Colorado大學(xué)健康科學(xué)中心首先完成了“可視人計(jì)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(shù)據(jù)集[2]。經(jīng)過 10年發(fā)展,數(shù)字解剖學(xué)在醫(yī)學(xué)教育和臨床中得到重要應(yīng)用,醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)取得許多重要進(jìn)展,3D重構(gòu)更加真實(shí)。當(dāng)前,隨著工業(yè)的發(fā)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(duì)各腕骨的滋養(yǎng)血管和解剖復(fù)位的方法并不十分明確,對(duì)腕部損傷處理仍然有一定的難度和盲目性。針對(duì)臨床?？频男枨?筆者自 2008年 7月開始應(yīng)用數(shù)字化技術(shù),把結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能意義重大的腕部骨骼血管進(jìn)行三維重建,現(xiàn)報(bào)道如下:

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本選取 選取新鮮健康成年人手標(biāo)本3具,標(biāo)本應(yīng)無器質(zhì)性損害,其主要解剖學(xué)參數(shù)具有代表性。

1.2 標(biāo)本灌注

1.2.1 灌注材料 本實(shí)驗(yàn)采用自凝牙托材料進(jìn)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(zhì)混合均勻后即刻灌注,采用 20ml醫(yī)用注射器以連續(xù)緩慢的方式注入標(biāo)本動(dòng)脈中,灌注后標(biāo)本用靜脈注入法或局部注射法進(jìn)行防腐固定處理。

1.3 CT掃描獲取數(shù)據(jù)集 標(biāo)本灌注后 24h進(jìn)行 CT掃描。采用 TOSH I BA Aquilion螺旋 CT掃描,掃描參數(shù):電壓 120kv,電流 250mAs,層厚 1mm,陣距 512×512;共獲取 220層數(shù)據(jù),將其以DCM格式保存,每個(gè)文件大小為 514KB,共計(jì) 110MB,整理數(shù)據(jù)集。

1.4 三維可視化 將獲取的 CT數(shù)據(jù)集導(dǎo)入M I M I CS10.01軟件 (Materalise公司),應(yīng)用 Segmentation模塊自動(dòng)、手動(dòng)調(diào)整灰度,進(jìn)行圖像標(biāo)識(shí)配準(zhǔn)重建腕部骨骼血管等重要解剖結(jié)構(gòu);利用 Simulation模塊對(duì)重建后的三維模型進(jìn)行修改,并保存為MCS、IGES及 STL等格式文件以備后續(xù)研究。

2 結(jié) 果

2.1 腕骨的三維重建 重建掌骨、腕骨及尺橈骨遠(yuǎn)端骨骼,骨骼可單獨(dú)顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示,可任意旋轉(zhuǎn)、模型透視及多剖面顯示,各腕骨關(guān)節(jié)外觀、毗鄰關(guān)系清楚準(zhǔn)確(圖 1)。

圖1腕骨全貌

圖2腕骨及血供

2.2 腕部動(dòng)脈的三維重建 腕部動(dòng)脈主要發(fā)自橈動(dòng)脈和尺動(dòng)脈,并有骨間前動(dòng)脈和骨間后動(dòng)脈的分支補(bǔ)充。三維重建圖像不僅可以清晰顯示橈動(dòng)脈,尺動(dòng)脈,腕掌、背側(cè)動(dòng)脈 (弓)網(wǎng),手掌淺、深弓等重要結(jié)構(gòu),而且三維重建后可單獨(dú)顯示各塊腕骨的動(dòng)脈供應(yīng)情況或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示,可任意旋轉(zhuǎn)、模型透視及多剖面顯示,各動(dòng)脈外觀、毗鄰關(guān)系清楚準(zhǔn)確,主要?jiǎng)用}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(guó)內(nèi)左煥琛[3]將計(jì)算機(jī)三維重建應(yīng)用于手解剖研究,并對(duì)食指各結(jié)構(gòu)的外形、掌骨基底部及腕骨進(jìn)行了三維重建。隨后張紹祥等[4]對(duì)掌部的動(dòng)脈進(jìn)行了計(jì)算機(jī)三維重建。國(guó)外學(xué)者也通過 CT掃描圖像對(duì)腕骨進(jìn)行了三維重建并做了相應(yīng)的測(cè)量[5-6],桂有等[7-8]通過利用高精度數(shù)控銑床對(duì)新鮮尸體手標(biāo)本單獨(dú)進(jìn)行薄層斷面銑切等技術(shù)處理,建立了完整的成人手?jǐn)?shù)據(jù)集,并利用該數(shù)據(jù)集對(duì)手的外形、指屈肌腱、掌部筋膜間隙以及手部的骨骼進(jìn)行了計(jì)算機(jī)三維重建,重建的結(jié)構(gòu)可單獨(dú)顯示、任意搭配顯示和總體顯示,也可按任意軸旋轉(zhuǎn)任意角度,初步建立了手的可視化模型,國(guó)外亦有相關(guān)報(bào)道。但目前可視化人體仍以切面圖像數(shù)據(jù)集為主,由于受到切割設(shè)備等條件的限制,嚴(yán)重制約了其在臨床的推廣應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)采用灌注造影劑后通過CT掃描技術(shù)采集圖像,并應(yīng)用M I M ICS軟件進(jìn)行圖像分割、配準(zhǔn)、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(gòu)建 本實(shí)驗(yàn)采用的M I M I CS 10.01軟件是基于臨床醫(yī)學(xué)影像學(xué)的逆向工程軟件和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,具有良好的圖像編輯功能。其重建的結(jié)構(gòu)具有可單獨(dú)、聯(lián)合顯示,可任意旋轉(zhuǎn)、模型透視及多剖面顯示等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用M I M ICS軟件的 Segmentation模塊自動(dòng)、手動(dòng)調(diào)整灰度進(jìn)行圖像標(biāo)識(shí)、配準(zhǔn),三維重建后的各腕骨關(guān)節(jié)外觀、毗鄰關(guān)系清楚準(zhǔn)確,且可單獨(dú)顯示各塊腕骨的動(dòng)脈供應(yīng)情況 (圖 3-6)。上述特點(diǎn)在臨床上具有指導(dǎo)作用。對(duì)于重建的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)予MCS、IGES及STL等格式文件保存,后續(xù)可通過 M I M ICS軟件FEA、Segmentation等模塊或聯(lián)合其他工程軟件進(jìn)行進(jìn)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(gòu)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(jìn)一步完善對(duì)手部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),為臨床治療方案的制定、手術(shù)相關(guān)操作及疾病基礎(chǔ)研究等提供科學(xué)的依據(jù)。本課題利用數(shù)字三維重建技術(shù)對(duì)腕部骨骼血管進(jìn)行虛擬,了解其滋養(yǎng)血管結(jié)構(gòu)和形態(tài),在此基礎(chǔ)上對(duì)腕骨損傷的修復(fù)進(jìn)行數(shù)字虛擬構(gòu)建,并對(duì)修復(fù)后腕骨及滋養(yǎng)血管損傷程度進(jìn)行預(yù)后評(píng)估。為臨床醫(yī)師探索一種在臨床解剖基礎(chǔ)上實(shí)施術(shù)前數(shù)字虛擬腕骨損傷修復(fù)的構(gòu)建方法。

虛擬數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究及臨床實(shí)踐已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步,但細(xì)小結(jié)構(gòu)的標(biāo)識(shí)及三維重建是數(shù)字化技術(shù)中的一個(gè)難題[9],如何不失真的標(biāo)識(shí)細(xì)小血管,尤其在密度值相差不大的情況下準(zhǔn)確的獲取目標(biāo)圖像,將是我們亟待解決的問題。

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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(yuǎn)華(1980—),男,湖北黃岡人,碩士研究生,研究方向:創(chuàng)傷骨科。

2009-09-21)