研究背景 目前,我國在遺體捐獻和人體器官捐獻方面的立法存在著不足,而且由于傳統(tǒng)觀念的束縛,大部分人在去世后很少愿意捐獻器官和遺體,因此全國各地醫(yī)學院校都存在缺乏醫(yī)學研究用的尸體標本,而用于臨床解剖教學中的標本更是嚴重匱乏。雖然解剖學教學大綱要求4到6個學生解剖一具尸體,隨著各大醫(yī)學院校擴招,學生每年逐漸增多,解剖教學經費的相對不足,現(xiàn)今往往是幾十個學生解剖一具尸體,難以進行系統(tǒng)而細致的基礎醫(yī)學學習。目前,缺乏尸體進行教學研究是全國醫(yī)學院校都面臨的問題。如何解決在尸體源不足的情況下,通過開展其他途徑和方法進行有效教學,從而使學生更好的掌握臨床解剖學,是我們共同的目標。 隨著科學技術飛速發(fā)展,多學科融合、交叉是各類學科發(fā)展的必然途徑與趨勢。目前數(shù)字醫(yī)學已成為現(xiàn)代醫(yī)學的重要組成部分,數(shù)字技術已經滲透到醫(yī)學的各個領域,從而促使醫(yī)學技術向個性化、精確化、微創(chuàng)化和遠程化方向快速發(fā)展。采用現(xiàn)代影像學、電腦圖形圖像處理、計算醫(yī)學、現(xiàn)代臨床解剖學和骨科學相結合建立的“數(shù)字化組織瓣”可為學生提供立體、直觀、動態(tài)的組織瓣解剖學基礎,將單調的二維解剖圖譜教學由平面變?yōu)榱Ⅲw,由靜態(tài)變動態(tài),由單面變多面,對在校學生無論是在課上還是課下,可系統(tǒng)地學習解剖學和開展臨床教學訓練均有較大的幫助。針對顯微外科領域皮瓣的血管系統(tǒng)進行的解剖學研究已廣泛開展,例如大體解剖、血管鑄型和多層螺旋CT掃描等技術,為我們開展皮瓣血管形態(tài)學研究提供了新的手段和發(fā)展空間。 傳統(tǒng)的皮瓣外科教學完全依賴于教科書上的兩維平面圖片以及尸體解剖來進行培訓。但傳統(tǒng)的解剖圖譜大都是“理想化的”主觀配色的模式圖或半模式圖,沒有三維空間的立體效果和實體的真實感。而目前隨著醫(yī)學院校的擴招,以及尸體來源的減少,學生在尸體上的操作練習和感官體驗的機會將會越來越少,從而大大影響了解剖學的教學效果。隨著三維數(shù)字化重建開拓了人體解剖學研究的新領域,以及虛擬中國人工程的成功,將皮瓣的解剖結構用三維、多角度、可視化,動態(tài)地展現(xiàn)已成為可能,此技術大大增強人們對血管、肌肉、骨、皮膚毗鄰關系的理解。這為立體的觀察組織瓣營養(yǎng)血管情況以及臨床的教學訓練與模擬奠定了基礎。無損傷、直觀性強的多層CT,在心腦血管病變、椎管形態(tài)學研究方面取得了一些成功經驗,同時在皮瓣血管形態(tài)學研究方面也提供了影像學技術手段,隨著計算機處理技術手段的不斷完善,使得重建皮瓣的三維解剖成為必須和可能,這為立體的觀察皮瓣血供情況,提供良好的教學條件奠定了基礎,從而實現(xiàn)了由平面解剖向立體解剖和數(shù)字解剖的發(fā)展。數(shù)字化三維重建技術不但可以豐富解剖學的教學手段,還能使在校學生無論在課上還是課下,都可隨時隨地的通過個人PC學習和鞏固解剖學知識,大大的縮短了學習過程;三維構建的數(shù)字化組織瓣可以讓年輕醫(yī)師通過網絡更有效的掌握和復習臨床解剖知識,避免重回解剖室進行復雜的解剖工作,減輕工作壓力,有利于手術的設計與模擬訓練,降低手術風險,提高骨科的治療水平。 數(shù)字化三維圖像與構建的模型除了可用于臨床多媒體解剖教學,還可導入虛擬仿真手術軟件,進行手術培訓。眾所周知,傳統(tǒng)的醫(yī)療手術訓練模式和學習是按照“師傅帶徒弟”的方式進行的,手術室就是教室,有經驗的醫(yī)生通過“作一個、看一個、學一個”的方式訓練初學者,教學內容隨機的依賴于病人的出現(xiàn),有很大的不可預見性,難于進行系統(tǒng)的教學。同時這種訓練方法勢必延長手術時間,增加手術成本,甚至影響手術質量,因而常常遭到病人的抵制。雖然目的的多層螺旋CT可以進行三維重建并以獲得很好的圖像顯示,但不能以其它方式導出,不方便進行臨床應用和示教,而新的計算機技術可以利用動態(tài)三維圖像對傳統(tǒng)二維醫(yī)學圖像進行補充,用連續(xù)斷層圖像進行三維重建,可以精確地顯示生物組織復雜的三維結構,并可進行任意旋轉、剖切觀察和操作;可以對重建的三維結構進行測量,獲得長度、面積、體積和角度等大量精確的解剖參數(shù);可以用于臨床軸助診斷、輔助手術設計和手術模擬等方面。 雖然高速螺旋CT重建技術中已經成為臨床上普遍采用的影像學檢查手段。但CT及MRI等二維圖像均難于反映局部解剖空間位置與毗鄰關系。計算機輔助三維重建技術廣泛應用于醫(yī)學領域可很好的解決這個問題,其優(yōu)點在于三維立體解剖結構可從任意角度、任意方向上地觀察。在醫(yī)學圖像方面,“美國可視人計劃(Visible Human Project)”(1989)在全球引起了巨大反響。數(shù)字人研究是現(xiàn)代計算機信息技術與醫(yī)學等學科相互結合的前沿性交叉項目,對科技發(fā)展有著深遠意義。1989年美國國立圖書館(NLM)舉行電子圖像處理特別規(guī)劃工作組會議,會議通過了一個報告,認為圖像為理解生物結構和機能提供便利,是醫(yī)學教育、研究和保健的重要組成部分�！翱梢暼恕奔夹g的不斷完善和軟、硬件技術的成熟使電腦構建的三維虛擬現(xiàn)實圖形直接指導臨床應用提供了條件,而人機交互界面及演示技術的發(fā)展為三維虛擬現(xiàn)實圖像在臨床的應用提供了一個很好的舞臺。目前國外已利用“可視人”等技術設計出“虛擬現(xiàn)實”軟件直接應用于醫(yī)療教學和臨床訓練。數(shù)字化和虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)為外科手術的訓練和學習開辟了全新的途徑。 數(shù)字化組織瓣的三維建模材料通常來源于CT、MR和人體切片,64排螺旋CT和3T-MR均能提供人體薄層端面利清晰圖像,可視人體數(shù)據(jù)庫為真彩色圖像,能夠清晰顯示微細血管。醫(yī)學圖像重建軟件Minics、Amira等均具有功能強大的高級數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。目前數(shù)字化皮瓣的可視技術主要應用于解剖教學和臨床訓練。但是,數(shù)字化組織瓣雖然可以真是反映組織瓣的形態(tài)結構,血管走行,毗鄰結構,但其是否能精確地進行臨床手術設計和術前定位,我們還需更細化的研究。本課題在此基礎上,我們選取供血動脈比較恒定的腓腸肌皮瓣和髂骨瓣進行三維數(shù)字化重建,并在Amira軟件中進行解剖學測量,探討兩種不同方法重建的數(shù)字化組織瓣模型測量所得數(shù)據(jù)與尸體解剖數(shù)據(jù)是否存在差異,三維重建的組織瓣模型能否真實、準確的反映實體解剖學結構。為多媒體顯微外科解剖學教學提供數(shù)據(jù)以及為三維臨床手術設計和術前定位提供條件。 目的 1.探討數(shù)字化三維重建技術在組織瓣中的構建。 2.通過虛擬解剖學測量,探討數(shù)字化三維重建的組織瓣模型能否真實、準確的反映實體解剖學結構。 3.應用虛擬可視技術對患者進行個性化組織瓣三維重建,并指導腓腸肌皮瓣和髂骨瓣的手術設計和手術操作。 方法 1.數(shù)字化組織瓣的三維重建數(shù)據(jù)獲取:①下肢血管正常成人6人(男女各3人),取得患者知情同意。螺旋CT掃描:術前碘過敏試驗陰性,經肘正中靜脈注射非離子型造影劑優(yōu)維顯300(碘普羅胺注射液,成份:碘普羅胺0.623g/ml,碘300 mg/ml,廣州先靈藥業(yè)有限公司)90 ml,注射速度3 ml/s,自動監(jiān)測,手動觸發(fā)。CT掃描參數(shù):120 kV、200 mA;層厚5 cm(最后可拆成0.625mm的原始圖像),將其數(shù)據(jù)以.DICOM格式導出。②新鮮捐獻成人尸體2具,血管正常,無明顯周圍血管病變和瘢痕,采用Tang等改良的明膠.氧化鉛灌注方法灌注,灌注前后均對全身行連續(xù)螺旋CT掃描,掃描條件:120Kv,110mA,參數(shù):層厚0.5mm,矩陣512×512。將掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式輸入個人計算機的Amira4.1重建軟件,經自動或手動閾值分割后采用表面重建方法SSD(surfaceshade display)重建血管、肌肉、骨骼以及皮膚圖像。輪廓提取,利用Amira提供的畫筆(Brush)、套索(Lasso)、魔術棒(Magic wand)等圖像分割工具,對組織瓣各結構進行提取、生成面片,然后用“smooth label”對邊界進行光滑處理,“removeislands”去除島嶼,根據(jù)計算機的配置情況對輪廓線進行適當簡化,采用SDD進行三維表面重建。用同樣方法對組織瓣血管、肌肉和骨骼等進行表面重建或容積重建,然后將重建的肌肉、血管、皮瓣、骨骼圖像根據(jù)人體組織不同顏色給予著彩。對組織瓣血管、肌肉和骨骼等進行表面重建或容積重建并將其數(shù)據(jù)單獨保存。最后制作movie進行動態(tài)觀察和多媒體教學。 2.數(shù)字化組織瓣模型的解剖學測量用數(shù)字化三維重建方法將組織瓣模型構建后(方法同上),利用Amira4.1軟件自帶測量工具對重建模型進行測量,對氧化鉛灌注和血管造影兩種不同構建方法的數(shù)字化組織瓣與正常尸體解剖數(shù)據(jù)進行比較,分析各自的特點。 3.數(shù)字化組織瓣的臨床初步應用選擇2007年3月至2008年12月需腓腸肌皮瓣創(chuàng)面修復的3例患者,以及采用旋髂深血管支髂骨瓣對股骨干骨折和脛骨骨折缺損以及骨不連進行骨缺損修復的2例患者。術前經肘正中靜脈注射優(yōu)維顯后,用螺旋CT進行掃描(參數(shù):120 kV、200 mA;層厚5 cm)。將掃描數(shù)據(jù)以.DICOM格式輸入個人計算機的Amira4.1重建軟件,經自動或手動閾值分割后,采用表面重建SSD法重建組織瓣供區(qū)血管、骨骼和(或)皮膚,并顯示血管與毗鄰組織的關系。應用軟件自帶測量工具對血管蒂、骨瓣長度進行測量。依據(jù)測量結果及忠者骨缺損長度和皮膚損傷面積對重建圖像進行圖像切割、表面重建,構建患者的個性化組織瓣。術前手術組將重建圖像仔細演示,根據(jù)重建圖像于患者供區(qū)組織瓣設計出點、線、面,術中仔細校對動脈與重建血管的走行是否相符,并依重建圖像大小切取組織瓣。 結果 1.數(shù)字化三維重建技術可以直觀準確地顯示正常組織瓣的三維解剖形態(tài),血管走行和組織瓣的毗鄰結構。特別是動脈的分支情況和體表的投影得到很好的顯示。利用軟件自帶的Movie Maker模板創(chuàng)建電影文件,畫面清晰流暢,可直觀、立體的顯示形態(tài)特征,方便臨床解剖教學。 2.重建的數(shù)字化模型測量數(shù)據(jù)與尸體組織瓣的解剖學數(shù)據(jù)基本相符。腓腸肌皮瓣氧化鉛灌注顯示,腓腸肌內側動脈起始處與穿支點的距離平均1.8cm,重建出的穿支血管數(shù)平均為5條,外徑為0.3～0.8mm,腓腸內側動脈主干血管外徑平均為2.6 mm;影像學造影顯示,腓腸肌內側動脈起始處與穿支點的距離平均2.0 cm,重建出的穿支血管數(shù)平均為2條,外徑為0.1～0.5 mm,腓腸內側動脈干血管外徑平均為2.0 mm。骼骨瓣氧化鉛灌注顯示,旋髂深動脈起始點距髂前上棘的距離為4.2cm,旋髂深動脈主干外徑平均為3.1 mm,髂嵴內段穿支血管數(shù)平均為6條,外徑為0.5～0.9 mm;影像學造影顯示,旋髂深動脈起點距髂前上嵴平均5.2cm,旋髂深動脈外徑平均為2.2 mm,髂嵴內段穿支血管數(shù)平均為2條,外徑為0.2～0.5mm。 3.所重建個性化腓腸肌皮瓣的患者3例,均能夠清晰顯示血管、皮膚及其毗鄰結構的三維關系。并根據(jù)術前創(chuàng)面缺損大小,對皮瓣進行精確設計。其中2例病人所顯示的皮瓣主要穿支及主干,與術中檢查相符;1例顯示皮瓣主干血管,但穿支顯示不清,術中探查穿支血管平均約0.5 mm,最小穿支均小于0.3 mm。術后3例皮瓣全部成活。三維重建患者個性化骨瓣2例,所重建個性化髂骨瓣,能夠清晰顯示血管、骨骼及其毗鄰結構的三維關系。并根據(jù)術前骨缺損大小,對骨瓣進行精確設計。2例病人所顯示的骨瓣主要血供主干,均與術中檢查相符。術前測量旋髂深動脈起點距髂前上嵴平均4.28 cm,旋髂深動脈外徑平均為2.4mm,穿支血管數(shù)平均為3條。術后2例髂骨瓣全部成活。 結論 1.采用數(shù)字化三維重建技術可以直觀顯示正常組織瓣的三維解剖形態(tài),可實現(xiàn)更多人體解剖結構可視化,為解剖教學展示提供參考,完善和豐富顯微外科臨床與解剖教學手段,彌補了尸體解剖教學標本不足的問題。 2.數(shù)字化組織瓣的虛擬解剖學測量數(shù)據(jù)在實體組織瓣測量數(shù)據(jù)的范圍之內,并能夠準確的顯示組織瓣的血供來源與血供形式,為今后大體解剖學測量提供了新的思路。 3.術前依據(jù)個性化的重建圖像結果對組織瓣進行精確的設計、定位,有助于提高外科手術的質量和可靠性。
【學位單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2009
【中圖分類】：R322-4
【部分圖文】：

擇 MovieMaker模塊。在 MovieMake:模塊，首先點擊Filename端口的Browse按鈕，再輸入一個電影文件名，如 E:programFiles\Mereury\Amira4·l\Fei·mpg。保存后即可(圖1一12)。圖1一1血管造影后CT掃描圖像輸入Amira軟件 F191一 1.ImagesofCTseanningloadtoAmira softwareafterangiograPhy.圖1一ZCT掃描數(shù)據(jù)集的圖像分割 F191一 2.CTscandatasetsforimagesegmentation.

第一部分數(shù)字化組織瓣的三維重建圖2一25可對重建模型進行虛擬解剖測量圖2一26可進行個性化虛擬解剖測量 F192一 25.ReeonstruetionmodelofthevirtualFigZ一 26.Personalizethevirtualanatomyanatomiea!measurements.measurements.圖1一27將重建模型生成電影 F191一 27.ReconstruetionmodelWillbemade intomovie3討論圖1一28模型可在多個多媒體軟件播放 F191一 28.Modeleanbebroadcastinanumber ofmultlmediasoftware3.1數(shù)字化技術21世紀醫(yī)學成像方式、計算機圖像處理、三維建模、有限元分析等工程領域和顯微外科、骨科等醫(yī)學領域的各方面研究都取得了很大的進展。計算機三維重建技術在70年代末提出，在80年代逐漸應用于臨床后越來越受到重視。近年來，數(shù)字化技術飛速發(fā)展，它為醫(yī)學界提供全新的思路和技術方案。數(shù)字

intomovie3討論圖1一28模型可在多個多媒體軟件播放 F191一 28.Modeleanbebroadcastinanumber ofmultlmediasoftware3.1數(shù)字化技術21世紀醫(yī)學成像方式、計算機圖像處理、三維建模、有限元分析等工程領域和顯微外科、骨科等醫(yī)學領域的各方面研究都取得了很大的進展。計算機三維重建技術在70年代末提出，在80年代逐漸應用于臨床后越來越受到重視。近年來，數(shù)字化技術飛速發(fā)展，它為醫(yī)學界提供全新的思路和技術方案。數(shù)字

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本文編號：2831602