三种人体数据集的腓骨瓣三维可视化应用研究

摘要

当今科学技术发展的时代，多学科融合、交叉是各类学科发展的必要途径与趋势。数字医学成像系统及计算机系统在医学领域应用，可将患者的影像模型化，并根据基础、临床需要任意变形或修改，建立个性化三维图像模型。并应用数字可视化技术实现基础教学和研究、临床培训、手术规划，增加教学培训的直观性以及手术的可靠性与安全性。针对显微外科领域骨、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。同时多层CT在临床实践中的应用，为我们开展骨、皮瓣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，加之计算机处理技术手段的不断完善，使得重建骨、皮瓣的三维解剖成为必须和可能，这为立体观察骨、皮瓣血供情况以及制定最佳的手术入路和治疗方案奠定基础，实现了由平面解剖向立体解剖和数字解剖的发展。 现在临床上，骨、皮瓣的设计主要依赖医生的临床经验。要确定骨、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抽象的思维，无法准确地定量分析。然而医生的构思和手术经验很难为手术组每一位成员所共享，手术操作更难以达到默契。而对于那些复杂的血管结构，术前、术中仅仅依靠眼观，则往往只能停留在表面，即使有经验的医生也很难感知其中内在的立体解剖结构关系。为适应骨、皮瓣外科学的发展，骨、皮瓣复杂结构的三维可视化影像系统的建立，为基础教学、临床医生的培训、手术入路的设计和手术过程的虚拟以及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可视化的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，使得虚拟骨、皮瓣外科手术的研究与应用成为可能。数字可视化技术可以缩短学习过程、有效的掌握三维解剖、有利于手术的设计和模拟训练、降低手术风险、提高骨、皮瓣外科治疗水平。 目前数字化骨、皮瓣的三维建模材料通常来源于血管造影CT图像、尸体氧化铅灌注标本CT扫描图像和虚拟人冰冻切片。64排螺旋CT能够提供人体薄层、端面和清晰图像，而虚拟人体数据库为真彩图像，能够清晰显示微细血管。医学图像重建软件Amira具有强大的高级数据可视化系统。本课题在此基础上，将血管造影CT图像、尸体氧化铅灌注标本CT扫描图像和虚拟人冰冻切片，应用Amira软件重建患者个性化带血管的腓骨瓣。力图对三种数据集重建的理想解剖模型加以对比，以供解剖教学、临床培训所需。 目的： 1.依据正常成人的血管造影后CT图像（computerized tomography angiography CTA），三维构建（three-dimengtion 3D）正常成人的数字化带血管的腓骨瓣。 2.依据尸体氧化铅灌注标本CT扫描图像，三维构建尸体标本的数字化腓骨瓣。 3.依据虚拟人冰冻切片，三维构建虚拟人的数字化腓骨瓣。 4.分析三种数据集重建腓骨瓣数字化可视模型的优势与局限性。 方法： 1.健康自愿者2人经肘静脉注射造影剂，使用64排多层螺旋CT进行双下肢扫描，扫描范围从股骨下端至足趾，管压120kV，管电流250～300mA，层厚1mmX64，床速47.5mm/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碘比乐，用高压注射器，注射流率为3.5～4.0ml/s，经肘静脉快速加压静脉注射，注射对比剂总量1.5ml/kg。选主动脉层面，使用64层螺旋CT三维工作站和个人计算机进行图像后处理，并进行多比。观察腓动脉及其分支分布及彼此间的吻合情况，将下肢二维灰度.DICOM格式图像以三维体数据的形式输入计算机，应用Amira4.1软件对腓动脉及腓骨的结构进行三维重建并立体显示。 2.取新鲜捐献尸体1具，采用改良的明胶.氧化铅灌注术经腹主动脉灌注，灌注后对双下肢行连续螺旋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进行适当的简化，进行表面重建和体重建。观察腓动脉及其分支的分布情况。 3.应用“虚拟中国人”（virtual Chinese human VCH）男性3号数据集，在薄层断面图像上观察小腿主要解剖结构，应用Anura4.1软件对小腿主要结构进行计算机三维重建并立体显示。 结果： 健康自愿者的血管造影CT扫描图像，能清楚地显示动脉和其它组织的关系，明胶-氧化铅灌注的血管造影的优势是可清楚地显示脉管及其分支，但不能正是它们各部分之间的组织。VCH断层解剖结构观察小腿图像，可清新地显示骨、动脉、软组织的层次关系。 通过计算机重建了带血管腓骨瓣的主要构成，重建的三维结构可以多彩透明或任意组合显示，经不同的角度观察，整体显示清晰、实体感强，皮肤、动脉、游离腓骨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到个解剖结构的形态，特别是动脉分支和体表投影情况得到了很好的显示。在表面三维重建的静态显示基础上，将计算出的图像全部保存下来，使用MovieMaker模块创建电影文件（Creating movie files），将其制作为电影，画面清晰流畅，直观、可完成360°的旋转，立体的显示其形态特征。 结论： 1、应用血管造影后CT、氧化铅灌注标本CT和虚拟人冰冻切片三维重建数字化骨皮瓣可以提高临床医师对皮瓣观察和手术设计水平，也为术前诊断和外科治疗提供了良好的形态学依据。 2、利用可视化技术可对重建骨皮瓣的三维图像进行立体、多角度、可视化、动态的观测，能够准确的显示骨皮瓣的血供来源与血供形式，完善和丰富了显微外科的临床与解剖教学。直观、立体地观察动脉主干与分支情况，得到满意的结果，三种不同的构建方式得到了结果的统一，实现了由二维向三维、由平面解剖向立体解剖、由组织解剖向数字解剖、由静态解剖向动态解剖的理想解剖模式，更有利于临床医生的术前设计。 3、基于个人计算机的骨、皮瓣可视化研究系统的实现，为临床医生提供了个性化的研究平台。

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论文说明：缩略词表

声明

前言

材料与方法

结果

讨论

全文小结

参考文献

综述：数字化虚拟可视重建技术在骨皮瓣中应用

攻读硕士学位期间成果

致谢

统计学审稿证明