腕部无创性三维CT仿真局解在体研究

杨秀军 邢光富 李巍 史常文

随着CT、MRI等医学影像和数字图像处理、计算机图形图像、计算机视觉等技术的迅猛发展,基于断层数据的人体组织器官三维（3D）重构、几何特征测量甚至数字人体得以实现。后处理重构组织器官的解剖结构尤其3D形态系多层螺旋CT（multiple slice CT,MSCT）的优势之一,常过容积再现 (volume rendering,VR)、最大密度投影(maximum intensity projection,MIP)、表面阴影显示 (shaded surface display,SSD)等成像模式来实现[1-2]。目前,基于活体断面CT数据的3D可视化重构技术主要应用于仿真内镜成像[3-4]和某一固定阈值的单一或某两种组织结构如骨骼[5]、血管[6-8]、气道[9]、胃肠[3-4]、尿路[10]等3D成像与形态学诊断,但尚缺乏进一步采用序贯阈值动态调节阈值区间或加电子刀技术逐层序列3D成像来模拟人体组织局部解剖及活体数字化建模的研究。为了进一步拓展X线电视透视导向软组织异物经皮摘除术,提高软组织异物经皮软组织介入治疗水平与安全性,本研究采用序贯阈值动态调节的方法,对复杂结构尤其血管旁、深部异物患者实现了患处CT仿真解剖成像研究[11],着重显示和测量异物形态、大小、深度、角度及其与重要脏器的最短距离等,用于分析、判断并决定异物钳取的最佳入路、角度、力度和评估软组织异物介入的可摘除性与治疗风险。其中,腕连接前臂与手,结构和功能复杂,且终日暴露在外,活动度大,易致异物等损伤,容易影响患者日常生活、学习和工作。为此,在研究腕部损伤患者的CT仿真解剖成像与软组织异物经皮软组织介入治疗的同时,试着基于这些薄层CT断面图像构建活体3D数字化腕模型,以精确3D显示腕部解剖结构和模拟手术解剖操作,本文就着重探讨基于螺旋CT薄层断面图像腕模型构建的可行性、技术方法与临床意义。

1 资料和方法

1.1 一般资料52例患者中,单侧腕部区域异物47例、骨折3例、脱位1例、软组织挫伤1例,其中男性35例,女性17例,年龄12～63岁（中位年龄32岁）。

1.2 仪器和方法所有患者患腕均行螺旋CT平扫,21例同时行增强扫描。应用GE LightSpeed Plus螺旋CT仪,层厚、间隔5 mm,重建层厚、间隔1.25 mm。增强扫描一般采集动脉期和静脉期两个时相图像数据,对比剂应用300 mgI/mL欧乃派克,总量90 mL,速率3 mL/s,经对侧上肢或下肢静脉高压注射器自动推注。

将薄层重建后的源影像数据传输至GE AW 4.2影像工作站,采用Volume Rendering图像后处理软件分析系统,在VR Tools菜单里选择VR Opacity软件,通过鼠标自-600 Hu逐渐滑升至120 Hu调节极小阈值数值（极大阈值一般预设,固定为600 Hu,有时也作适当调整）,分别3D重构掌面观、背面观等自皮肤至骨骼各层局部解剖,同时采用电子刀技术获得断面观图像。系统观察腕外形、皮肤、静脉、动脉、神经、关节、肌肉尤其肌腱与韧带、筋膜、骨骼等组织结构的显示情况及其最佳显示方法、角度与阈值区间,着重观察腕部诸解剖结构与病变的显示及腕模型构建情况。

2 结果

腕的掌面观、背面观自皮肤至骨骼解剖结构逐层类似解剖地3D显示率为100%,腕部各解剖组织结构3D成像与显示的极小阈值范围见表1,其中皮肤、皮下静脉、肌腱、关节、骨骼的最佳3D显示极小阈值分别为-300 Hu、-200 Hu、-100 Hu、0 Hu、100 Hu,所有伸、曲肌腱、皮下静脉、骨骼清晰3D显示率达100%（图1）。而所有动脉或深部静脉仅100%分别显示在基于增强动脉期、静脉期扫描源影像的仿真局解成像上（图2）,80 Hu至110 Hu极小阈值时动脉成像及其与毗邻不透X线异物、骨骼解剖位置关系显示好。基于含碘对比剂增强的CT 3D图像,清晰显示了腕部桡动脉、尺动脉、骨间背动脉、骨间掌侧动脉及同名伴行静脉与多层次、多来源、多吻合的腕部动脉网、静脉网,其中腕背侧血管及血管网优势明显,腕背侧动脉网主要由桡动脉腕背支、骨间前动脉背侧支及上穿动脉上支吻合形成,腕掌侧动脉网主要由桡动脉腕掌支、骨间前动脉掌侧支和尺动脉腕背支吻合形成,网多较完整。腕外形（包括“鼻烟壶”凹陷）、皮肤与毛囊、皮下静脉、伸屈肌腱、动脉、深部静脉、桡腕关节、尺桡远侧关节、腕骨间关节、腕掌关节及诸骨均得以逼真3D成像与展示,腕部桡骨、尺骨、舟骨、月骨、三角骨、豌豆骨、大多角骨、小多角骨、头状骨、钩状骨和第Ⅰ～Ⅴ掌骨及彼此解剖位置关系与关节联系得以360°全方位的任意角度和比例大小显示与观测,实现了基于腕部的CT薄层断面影像的数字化腕模型的构建。该模型成功进行了多模式交互演示和多角度任意区域、方位、大小切割与长度、角度测量等实时交互功能操作。

表1 腕掌面观、背面观各组织结构3D成像与显示的极小阈值数值区间（Hu,最大阈值600）

利用cut软件及鼠标勾勒或自动电子刀区域切割软件对3D腕图像进行横断面切割,均成功获得了腕的3D断面观图像与仿真解剖。腕部韧带、腕管结构在掌面观、背面观各阈值区间3D图像上几无明确显示（图1、2）,其骨纤维性隧道结构在3D断面观上显示率达100%,极小阈值范围为-200 Hu～50 Hu,其中0 Hu显示效果较好（图3）,其准确3D成像与揭示了腕管掌侧的纤维韧带结构（横于大多角骨、钩骨间的腕横韧带）、背侧的腕骨结构和其间通行的拇长屈肌腱、4根屈指浅肌腱、4 根屈指深肌腱、正中神经及尺侧囊等结构,尤其腕背侧自桡侧向尺侧的拇长展肌和拇短伸肌腱鞘、桡侧腕长短伸肌腱鞘、拇长伸肌腱鞘、指伸肌和食指伸肌腱鞘、小指伸肌腱鞘和尺侧腕伸肌腱鞘六个腱鞘一目了然,紧贴腕管的前外方的尺动脉、尺神经及腕管外围诸解剖结构与异物也得以清晰显示和观测,腕部解剖结构在空间上的位置关系直观地显示在断面观图像上。

图1 左腕尺动脉旁金属异物患者,基于动脉相（图1A-1J）、静脉相（图1K-1L）的背面观（图1A-1E、1K分别为最小阈值-500、-200、-50、0、50、-350 Hu之表皮观、皮下静脉观、筋膜与肌肉观、肌腱观、关节观、静脉相表皮静脉观）、掌面观（图1F-1J、1l分别为最小阈值-500、-200、-50、0、50、100、-350 Hu之表皮观、皮下静脉观、筋膜与肌肉观、肌腱观、关节观、骨骼观、静脉相表皮静脉观）仿真解剖图像,腕局部外形、皮肤、皮下静脉、伸屈肌腱、动脉、桡腕关节、尺桡远侧关节、腕骨间关节、腕掌关节及诸骨逼真3D展示。尺、桡动脉及分支显示于动脉相之筋膜与肌肉观、肌腱观、关节观、骨骼观,腕的筋膜鞘与筋膜间隙成像、显示模糊。尺、桡神经与正中神经未显示。箭示尺动脉旁金属异物

图2 腕部金属异物患者,基于增强动脉（图2A、2B）静脉相（图2C、2D）断面影像仿真局解图像（图2A-2C为掌面观、图2D为背面观）,骨间前（右箭）、后动脉显像,掌深弓（下箭）、掌浅弓（燕尾箭）、头静脉（虚尾箭）、贵要静脉（燕尾形）

图3 腕多发玻璃异物患者,阈值分别为-100 Hu（图3A）、0 Hu（图3B）、50 Hu（图3C）和原始横断面影像（图3D）时横切面观,清晰展示腕管解剖:由屈肌支持带（腕横韧带,下箭,绕侧附着于舟骨结节和大多角骨结节、尺侧附着于豌豆骨和钩状骨）和腕骨围成,通过4条指浅屈肌腱、4条指深屈肌腱、拇长屈肌腱及其腱鞘（右箭）、正中神经、尺侧囊等结构,腕管前外方为尺动脉与尺神经（左箭）。上箭为桡动脉。

各角度与视野观的3D成像,淋巴管均未见有效重建、成像与显示。但均准确测量了所显示结构的大小、长度、深度、间隔等,清晰揭示了腕部区域异物及异物周围这些骨骼、皮肤、血管、肌肉尤其肌腱与韧带等组织结构及损伤情况,腕部筋膜间隙积液、腕管内肌腱腱鞘肿胀、关节脱位、骨折、神经压迫等改变均准确显示,可靠提供了异物形态、边缘、粗细、长度及其与毗邻组织结构的位置关系3D图像与数据,准确显示了异物并发的局部感染、肉芽形成、血肿及其机化情况,由此可准确判断异物介入摘除术的可行性和难易程度,指导治疗方针尤其切口、入路、路径、深度、钳取方向、力度等的选择与优化。

3 讨论

腕数字化模型构建已见于解剖结构可视化,尤其腕部的薄层断面切片数据[12]和尸体CT断层数据[13]的报道,基于活体CT薄层断面影像的数字化腕模型尚未见报道。本研究通过对异物患者腕部螺旋CT薄层断面图像进行序贯阈值调节的VR成像,实现了腕部无创性3D CT仿真解剖成像,成功建立了真实性更高的活体数字化腕模型,进一步利用电子刀技术实现了在体活体无创性仿真解剖与断层。本研究结果显示,腕部掌面观、背面观图像100%地逐层3D显示了皮肤、皮下静脉、伸屈肌腱、关节、骨骼,而所有动脉、深部静脉仅100%地分别显示在基于增强动脉期、静脉期扫描源影像的3D图像上,这与平扫动脉及深部静脉缺乏有效密度对比有关; 腕管这一骨纤维性隧道及通行组织与毗邻解剖结构仅100%地显示在3D断面观图像上,而在掌面观、背面观图像上无法有效成像与显示,这可能与3D可视化观测角度有效选择有关; 淋巴管在各角度与视野观图像上未能有效重建、成像与显示,这可能与其结构细小、缺乏足够密度差异与对比有关。本研究同时显示,这些3D成像准确测量了所显示结构的大小、长度、深度与距离等,清晰揭示了腕部区域异物及异物周围这些骨骼、皮肤、血管、肌肉尤其肌腱与韧带,图像逼真、立体、直观、形象、动态、便捷且可任意重复。

本研究活体数字化腕模型的成功建立,不仅精确评估了腕部区域异物、毗邻组织结构及损伤情况,指导了治疗尤其微创介入治疗的有效决策,降低了治疗风险与并发症,提高了治疗的临床效果与安全性,而且提供了腕管综合征（腕管狭窄症,腕部骨折、脱位、扭伤或劳损等引起的腕横韧带增厚、管内肌健肿胀、瘀血、机化或腕骨退变增生、管内腔缩小而致的正中神经压迫）、骨间掌侧神经卡压综合征的形态学诊断。这些数字化解剖模型建立与仿真解剖,是疾病诊断、治疗尤其在定位、导向、模拟手术、术后随访、手术教学与针灸穴位研究的无创性有效手段[14],同时也有望为催生人体数字化解剖学、实现了仿真解剖、解剖无尸化与解剖在体活体化做出进一步贡献。众所周知,解剖学是医学重要课程,尸解、动物解剖是解剖学的重要内容和必须过程,但其与活体的差异性和尸体标本的缺乏、刺眼刺鼻的甲醛气体、人们对解剖动物的爱悯,往往影响、制约解剖学学习与发展,虚拟现实和活体仿真解剖技术完全克服了上述缺陷,而且仿真解剖过程逼真、直观和任意重复,可反复使用、重复观察,经济、方便、无需尸体,有望有效缓解尸体标本的缺乏、降低了教学成本、提高教学质量和减少尸解、动物解剖操作,是尸解、动物解剖的有效补充手段。

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