人体上臂组织及肘关节的三维数字化构建

解秉霖，黄潮桐，李敬矿，宋江涛，鲍苏苏，邱文超，李忠华，钟世镇

基础研究

人体上臂组织及肘关节的三维数字化构建

解秉霖，黄潮桐，李敬矿，宋江涛，鲍苏苏，邱文超，李忠华，钟世镇

目的运用计算机三维重建技术构建人体上臂组织及肘关节结构和形态的数字化模型。方法男性成人新鲜尸体上肢标本2例，常温下灌注显影剂后行CT扫描，将数据导入Mimics 13.1、MIPAV、FREEFORM软件中，分别对上臂皮肤、骨骼、血管及肘各关节进行三维构建。结果上臂组织及肘关节的三维数字化重建图像清晰、真实、动态地显示上臂皮肤、骨骼、血管及肘部各关节的外观及毗邻关系。结论数字化上臂组织及肘部各关节三维可视化仿真模型的构建，为骨科临床与教学提供了数字化三维形态学依据。

上臂；皮肤；血管；骨骼；肘关节；体层摄影术，X线计算机；图像处理，计算机辅助

随着数字医学的快速发展，数字化技术目前已全方位、多角度地渗透到医学各学科领域。就骨科领域而言，可视人[1]、数字化虚拟人[2]等数字解剖学技术正深刻地影响着该学科的基础和临床研究。将人体的骨组织结构数字化与可视化，已成为骨科领域一个新的研究热点。但迄今为止，对人体上臂及肘部关节的数字化与可视化研究鲜有报道。我们运用计算机三维重建技术构建人体上臂组织及肘关节结构和形态的数字化模型，旨在为数字骨科领域提供数字化三维形态学依据。

1 材料与方法

1.1 标本来源

完好无损的男性成人新鲜尸体上肢标本2例（南方医科大学解剖教研室提供）。

1.2 标本灌注

1.2.1 灌注剂 硫化汞（显影剂）10～15 g，邻苯二甲酸二丁酯30 mL，自凝牙托粉32～35 g，自凝牙托水66～69 mL[3]。

1.2.2 灌注方法 常温下将各灌注剂混合均匀后即刻用20 mL医用塑料注射器注入肱动脉，30 min内连续缓慢灌注完毕。之后采用静脉注入法进行标本的防腐固定处理。

1.3 数据采集

灌注完成后冷藏24 h，采用TOSHIBA/ AQUILONI螺旋CT扫描。扫描参数：电压120 kV，电流100 mA，层厚0.5 mm，矩阵512×512，共获取1 439层数据，以DICOM格式保存。

1.4 数据建图

图1 二维视窗

1.4.1 数据导入 将保存数据以DICOM格式分别导入Mimics 13.1、MIPAV、FREEFORM软件，并对不同序列的数据进行项目融合和方向设置，使其进入二维视窗（图1）。1.4.2 Mimics 13.1软件下对皮肤、骨骼与血管的提取 首先运用Mimics 13.1软件分割模块中的阈值转换工具对上肢皮肤进行合适的灰度值选取（-960～116 HU）。在皮肤上运用工具模块中的剖面线进行皮肤定位，同时用复合标记工具给予不同颜色并进行区域增长，遂去除无关的组织显影，用涂抹工具逐层扫掉残存的杂质阴影，完成皮肤的二维建图。然后就上肢骨骼与血管选取合适的灰度值（160～2 981 HU），同样先用剖面线定位骨骼，消除与骨骼不相连的体素，扫掉血管标记，完成骨骼二维建图。在此基础上运用减除工具剪掉骨骼，获得血管二维建图；分别对肱骨、尺骨、桡骨采用上述方法，获得肘关节二维建图。

1.4.3 Mimics13.1软件下对肘部关节的提取 对肘部关节的提取也是骨骼提取的一部分，首先在骨骼提取成功的基础上，分别对肱骨、桡骨、尺骨进行剖面线定位，在定位其中1块骨骼的基础上，先用涂抹工具扫掉与其相连的其它骨骼体素，再进行颜色改换，即可完成二维建图；然后用同样方法分别完成另外两块骨骼的二维建图。待肱骨、桡骨及尺骨各自二维建图完成后，就可以在三维视窗下进行肘部各关节的构建。

1.4.4 MIPAV、FREEFORM软件下对肌肉的操作将二维上臂CT图像导入MIPAV软件，使用软件中的交互式水平集工具处理CT图像中的肌肉轮廓：即在1张CT图像的肌肉与皮肤交界处寻找适合的起点，并根据不同起点的特征实时计算出轮廓线，最后人工选择出最适合的，作为这张CT图像肌肉的轮廓线。获得每1张CT图像肌肉的轮廓线后，使用逻辑运算的方法，将图像中轮廓线以内像素点的像素值予以保留，而轮廓线外的点则赋予背景色。逐层图像标识后进行三维可视化图像重建，得到STL格式的面模型。另外运用阈值分割方法将CT图像中的血管和骨骼提取出来，并进行面重建，得到血管和骨骼的STL格式面模型。再次把数据导入FREEFORM软件（用于手动光滑打磨），使用Phantom工具对这些血管、肌肉和骨骼的STL格式面模型中不平整的面进行平滑处理。最后将3个模型一同载入FREEFORM软件，通过透明化表面网格或选择性显示模型的方式显示所需数据。

2 结果

2.1 上臂皮肤的三维重建

运用三维工具将建成的皮肤二维成图置入三维视窗初级成图，通过调色工具将其转换成与实体相接近的颜色，再用光滑工具进行打磨，建成质感很强的皮肤三维图（图2，3）。不但可以任意旋转不同角度、不同方向，还可进行模型透视（图4，5）及多剖面显示（图6）。

2.2 上臂骨骼的三维重建

运用上述方法在三维视窗下重建上臂整体骨骼（图7），用不同颜色单独显示肱骨、尺骨、桡骨（图8），从不同角度、不同方向清晰显示各骨骼的外观及其毗邻关系，较解剖图谱更加形象、生动；同时还可在三维视窗下测量肱骨、尺骨、桡骨的表面积、体积以及三角片的数量（表1）。

2.3 肘部多关节的三维重建

三维重建后肘部三大关节可单独显示（图9）。

2.4 上臂血管的三维重建

三维重建后可清楚、真实、准确地显示上臂各血管的走行（图10）。

2.5 上臂肌肉整体的三维重建

三维重建后可显示上臂整体肌肉轮廓以及肌肉的三维透视结果（图11）。

图2 三维上肢皮肤视图 图3三维上臂及肘部皮肤视图 图4三维上肢皮肤透视图 图5三维上臂及肘部皮肤透视图 图6三维上臂横截面视图 图7三维视图下上肢骨骼与解剖图谱的对比

图8 上臂骨骼的数字化三维重建 8A在三维下肱骨、尺骨、桡骨不同颜色整体显示 8B独立显示肱骨 8C独立显示尺骨 8D独立显示桡骨

图9 三维视图下上臂三大关节的独立显示 9A肱桡关节 9B肱尺关节 9C桡尺近侧关节 图10上臂及肘部血管走形远近观 图11上臂肌肉的三维重建 11A血管在肌肉中的走行 11B光滑后的肌肉 11C肌肉透视图

表1 上臂骨骼的表面积、体积、三角片的数量

3 讨论

熟练掌握上肢骨与关节的功能解剖，对于骨科医生而言是必需的。尽管三维CT提供了进一步的上肢影像学信息，但要完全理解上臂骨与关节损伤的三维信息，依然是一个难点[4]，目前数字化技术的发展为临床骨科医师提供了这种可能。

复旦大学医学院左焕琛等[5]于20世纪80年代末将计算机三维重建应用于手的解剖学研究；第三军医大学张绍祥等[6]报道了手掌部动脉的微型计算机三维重建；解放军第二五一医院的白桂有等[7-8]建立完整的成人手数据集；广东医学院的留成胜[9]等对前臂动脉穿支皮瓣进行数字化模型构建。国外学者亦通过CT扫描对腕骨进行三维重建和准确测量[10-11]。这些早期的手部研究为上臂及肘部的数字化三维重建提供了很好的参考依据。但其三维图形均以切面图像数据为主，在临床及教学应用中图像真实感欠佳，难以推广。

我们通过灌注化学造影剂后的CT扫描来采集图像，运用Mimics 13.1、MIPAV、FREEFORM软件进行二维图像灰度值选择、剖面线定位、区域增长、扫除杂影等，进而获得精准、形象、真实、质感很强的三维重建图像。这种方法简单、方便、易行，可操作强，同时还具有方便医学教学[12-13]、节省经费、易于激发学生兴趣等优点。

3.1 上臂及肘关节的数字化重建方法

3.1.1 上臂皮肤、骨骼、血管的三维重建 运用Mimics 13.1软件对上臂皮肤、骨骼和血管进行三维重建，重建的三维图谱不仅可以实现实时任意方向的重切片、单独与联合显示、任意旋转等操作，还可凭借3D LiveWire功能保留轮廓线和移动轨迹点，进行中心线断面、圆周长以及延伸的面上距离的测量等等。重建上臂及肘关节后的三维图像真实感强，仿真度高[14]，尤其是肘关节，外观、相邻关系清晰准确。

3.1.2 上臂肌肉的三维重建 Kober等[15]认为，MRI检查对肌肉的显示效果好，但重建的三维效果视图与CT相差无异，只能整体显示。本研究最初运用Mimics 13.1软件对肌肉进行三维成像，但二维视窗单层下肌肉轮廓重叠多，各肌层之间难以区分，构建效果并不理想。遂改用MIPAV、FREEFORM软件，借助MIPAV软件具有交互式水平集分割的特点构建整体轮廓，通过FREEFORM软件将整体提取肌肉的粗糙面打磨光滑，获得的图像可清晰显示上臂整体肌肉轮廓以及肌肉的三维透视结果。但本法仅限于构建肌肉整体轮廓，对于具体、独立的每块肌肉、肌纤维，难以单独进行提取。

3.2 上臂及肘关节三维数字化构建的意义

上臂及肘关节损伤临床上比较常见，将患者的CT二维图像利用数字技术快速转换为三维数字化模型，不仅能够精确、直观地反映上臂和肘关节骨骼、血管、肌肉等的内部三维结构及其毗邻的空间位置关系，而且还可以在三维空间对图像进行任意地显示、测量、旋转、切割、重组和缩放，通过三维可视化数字模型进行定量分析和动态模拟，实现三维诊断分析和模拟手术。这些都将有助于手术方案的制定，并可于术前对术后效果进行预览和评价，为手术的顺利进行提供保障，缩短手术时间，提高手术安全性和可靠性，对术后并发症的降低以及临床疗效的改善具有重要意义。此外，确立科学的量化指标，使上臂及肘关节组织的研究从定性向三维定量研究发展，从二维解剖结构向三维解剖结构结合生理功能同步研究发展，并在此基础上建立上臂及肘关节损伤的三维重建模型，开展计算机辅助设计与快速成型技术，这有可能成为未来上臂及肘关节诊治新的发展方向。

此类研究的不足之处在于这种数字化三维重建对周围神经显示仍无好的对策[16]，对筋膜、脂肪单位以及每块肌肉的具体构建，甚至于对肌纤维、微血管这些细小结构的三维重建都是数字骨科技术中的难题[17]，需要我们进一步深入研究和探索。

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3D digital construction of human upper arm and elbow joint

XIE Binglin,HUANG Chaotong,LI Jingkuang,SONG Jiangtao,BAO Susu,QIU Wenchao,LI Zhonghua, ZHONG Shizhen.Graduate School of Guangdong Medical College,Zhanjiang,Guangdong 524023,China

HUANG Chaotong,E-mail:myhct@medmail.com.cn

Objective To build a digital model of structure and morphology of human upper arm and elbow joint by computer based 3D reconstruction techniques.Methods Two human forearm specimens harvested from male adult fresh cadavers were infused with the constrast at room temperature and scanned by CT.The data were imported into the medical image processing software Mimics 13.1,MIPAV and FREEFORM,and then the skin, bones,blood vessels and elbow joint of upper arm were constructed respectively.Result 3D digital reconstruction images of upper arm and elbow joint provided their appearance and surrounding relations clearly,truly and dynamically.Conclusion Construction of 3D visual simulation model of human upper arm and elbow joint provides 3D digital morphological data for orthopaedic clinical and teaching practices.

Upper arm;Skin;Blood vessels;Skeleton;Elbow joint;Tomography,X-ray computed;Image processing,computer-assisted

R323.71

A

1674-666X(2012)01-0042-06

2011-12-28；

2012-01-15）

（本文编辑 白朝晖）

10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.007

524023广东湛江，广东医学院研究生院（解秉霖）；523945广东东莞，广东医学院附属厚街医院（黄潮桐，李敬矿，宋江涛）；510631广州，华南师范大学（鲍苏苏，邱文超）；510515广州，南方医科大学（李忠华，钟世镇）

黄潮桐，E-mail：myhct@medmail.com.cn