腕部骨骼血管数字化虚拟

张远华,黄潮桐,陈隆福,李敬矿,陈冬生

(1.广东医学院,广东 湛江 524001;

2.广东医学院附属厚街医院显微外科中心,广东 东莞 523945)

·论 著·

腕部骨骼血管数字化虚拟

张远华1,黄潮桐2,陈隆福2,李敬矿2,陈冬生2

(1.广东医学院,广东 湛江 524001;

2.广东医学院附属厚街医院显微外科中心,广东 东莞 523945)

目的 应用数字化腕部技术构建腕部骨骼血管等重要解剖结构,建立虚拟腕骨及其滋养血管结构和形态。方法 采用新鲜成人手标本经灌注处理后,通过 CT扫描获得数据集,利用M I M ICS软件重建腕部的外形、骨骼、动脉等,并对相关结构进行解剖学观察。结果 建立了基于解剖结构的可视化腕部骨骼血管模型并精确显示腕骨及其滋养血管结构和形态,各结构可单独、联合显示,可任意旋转,模型透视及多剖面显示。结论 腕部骨骼血管可视化模型为临床提供三维形态学资料,也为虚拟现实技术提供数字化模型。

腕部骨骼血管;三维重建;虚拟可视化;M I M ICS

美国 Colorado大学健康科学中心首先完成了“可视人计划”人体断面图片获取[1],并于 1994年11月公布其先后获取一男一女的包括 CT、MR和一系列断面虚拟人体数据集[2]。经过 10年发展,数字解剖学在医学教育和临床中得到重要应用,医学图像处理技术取得许多重要进展,3D重构更加真实。当前,随着工业的发展和高能量损伤层出不穷,腕部损伤日益增多,但到目前为止,对各腕骨的滋养血管和解剖复位的方法并不十分明确,对腕部损伤处理仍然有一定的难度和盲目性。针对临床专科的需求,笔者自 2008年 7月开始应用数字化技术,把结构复杂、功能意义重大的腕部骨骼血管进行三维重建,现报道如下:

1 材料与方法

1.1 标本选取 选取新鲜健康成年人手标本3具,标本应无器质性损害,其主要解剖学参数具有代表性。

1.2 标本灌注

1.2.1 灌注材料 本实验采用自凝牙托材料进行制作,造影剂为硫化汞。其配方为:自凝牙托粉30-35g,自凝牙托水 65-70g,邻苯二甲酸二丁酯30ml,硫化汞 10-15g。

1.2.2 灌注方法 在常温下将配方中各种物质混合均匀后即刻灌注,采用 20ml医用注射器以连续缓慢的方式注入标本动脉中,灌注后标本用静脉注入法或局部注射法进行防腐固定处理。

1.3 CT扫描获取数据集 标本灌注后 24h进行 CT扫描。采用 TOSH I BA Aquilion螺旋 CT扫描,扫描参数:电压 120kv,电流 250mAs,层厚 1mm,阵距 512×512;共获取 220层数据,将其以DCM格式保存,每个文件大小为 514KB,共计 110MB,整理数据集。

1.4 三维可视化 将获取的 CT数据集导入M I M I CS10.01软件 (Materalise公司),应用 Segmentation模块自动、手动调整灰度,进行图像标识配准重建腕部骨骼血管等重要解剖结构;利用 Simulation模块对重建后的三维模型进行修改,并保存为MCS、IGES及 STL等格式文件以备后续研究。

2 结 果

2.1 腕骨的三维重建 重建掌骨、腕骨及尺桡骨远端骨骼,骨骼可单独显示或与其他结构联合显示,可任意旋转、模型透视及多剖面显示,各腕骨关节外观、毗邻关系清楚准确(图 1)。

图1腕骨全貌

图2腕骨及血供

2.2 腕部动脉的三维重建 腕部动脉主要发自桡动脉和尺动脉,并有骨间前动脉和骨间后动脉的分支补充。三维重建图像不仅可以清晰显示桡动脉,尺动脉,腕掌、背侧动脉 (弓)网,手掌浅、深弓等重要结构,而且三维重建后可单独显示各块腕骨的动脉供应情况或与其他结构联合显示,可任意旋转、模型透视及多剖面显示,各动脉外观、毗邻关系清楚准确,主要动脉管腔可中空显示且较为逼真。(图2)。

3 讨 论

3.1 手的可视化研究 国内左焕琛[3]将计算机三维重建应用于手解剖研究,并对食指各结构的外形、掌骨基底部及腕骨进行了三维重建。随后张绍祥等[4]对掌部的动脉进行了计算机三维重建。国外学者也通过 CT扫描图像对腕骨进行了三维重建并做了相应的测量[5-6],桂有等[7-8]通过利用高精度数控铣床对新鲜尸体手标本单独进行薄层断面铣切等技术处理,建立了完整的成人手数据集,并利用该数据集对手的外形、指屈肌腱、掌部筋膜间隙以及手部的骨骼进行了计算机三维重建,重建的结构可单独显示、任意搭配显示和总体显示,也可按任意轴旋转任意角度,初步建立了手的可视化模型,国外亦有相关报道。但目前可视化人体仍以切面图像数据集为主,由于受到切割设备等条件的限制,严重制约了其在临床的推广应用。本实验采用灌注造影剂后通过CT扫描技术采集图像,并应用M I M ICS软件进行图像分割、配准、重建,可得到精确逼真的重建图像,此方法在临床上具有可操作性。

3.2 虚拟腕骨血管模型构建 本实验采用的M I M I CS 10.01软件是基于临床医学影像学的逆向工程软件和计算机辅助设计软件,具有良好的图像编辑功能。其重建的结构具有可单独、联合显示,可任意旋转、模型透视及多剖面显示等特点。本实验采用M I M ICS软件的 Segmentation模块自动、手动调整灰度进行图像标识、配准,三维重建后的各腕骨关节外观、毗邻关系清楚准确,且可单独显示各块腕骨的动脉供应情况 (图 3-6)。上述特点在临床上具有指导作用。对于重建的结构数据予MCS、IGES及STL等格式文件保存,后续可通过 M I M ICS软件FEA、Segmentation等模块或联合其他工程软件进行进一步深入研究。

图3舟骨及血供

图4月骨及血供

图5豆骨及血供

图6沟骨及血供

3.3 虚拟腕部模型构建的意义及亟待解决的问题 腕部损伤是临床上常见的疾病,虚拟腕部模型的建立有助于进一步完善对手部结构的认识,为临床治疗方案的制定、手术相关操作及疾病基础研究等提供科学的依据。本课题利用数字三维重建技术对腕部骨骼血管进行虚拟,了解其滋养血管结构和形态,在此基础上对腕骨损伤的修复进行数字虚拟构建,并对修复后腕骨及滋养血管损伤程度进行预后评估。为临床医师探索一种在临床解剖基础上实施术前数字虚拟腕骨损伤修复的构建方法。

虚拟数字化技术应用于医学研究及临床实践已经取得长足进步,但细小结构的标识及三维重建是数字化技术中的一个难题[9],如何不失真的标识细小血管,尤其在密度值相差不大的情况下准确的获取目标图像,将是我们亟待解决的问题。

[1] AckermanMJ.The visible human proje t:a resource for education[J].AcadMed,1999,74(6)∶667-670.

[2] SpltzerVM,AckermanMJ,Scherzi nger AL,et al.The visible human male:a tech nicaI repor t[J].J A m Med Infor m Assoc,1996,3(2)∶118-130.

[3] 左焕琛.电子计算机三维重建用于手解剖研究的初步探讨Ⅲ[J].解剖学杂志,1986,9(6)∶237-242.

[4] 张绍祥,何光篪,刘正津.手掌部动脉的微型计算机三维重建及其临床意义Ⅲ[J].第二军医大学学报,1989,11(6)∶409-414.

[5] Rim M,PattersonMEng,KarenW,et al.Carpal bone an atomy me as ured by computer an alysis of three-dimensional recons tructions of computed to mography images[J].J Hand Surg,1995,20∶923-929.

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[7] 白桂有,张正治,熊 雁,等.手掌部筋膜间隙的断面解剖学观察及计算机三维重建[J],中华外科杂志,2004,42(20)∶1225-1227.

[8] 白桂有,张正治,可金星,等.手掌部分解剖结构可视化的初步研究[J].中国临床解剖学杂志,2005,23(3)∶227-229.

[9] 笃 烈,罗述谦,钟世镇,等.数字化虚拟中国人女性 -1(VCH F-1)实验数据集血管标识的突破进展 [J].科学中国人,2003,(4)∶4-8.

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

张远华(1980—),男,湖北黄冈人,硕士研究生,研究方向:创伤骨科。

2009-09-21)