数字化组织瓣的虚拟临床解剖学测量

黎健伟 雷蕾 金丹* 赵辉 胡稷杰 王钢 余斌

（1.南方医院创伤骨科，广州510515；2.佛山军分区城门头干休所卫生所，广东佛山528000）

本研究选取供血动脉比较恒定的腓肠肌皮瓣和髂骨瓣进行解剖学测量，比较氧化铅灌注标本CT扫描方法和血管造影CT扫描方法重建的数字化组织瓣模型测量所得数据是否与传统尸体标本解剖数据存在差异，是否真实、准确地反映实体解剖学结构，可否为多媒体显微外科解剖学教学以及临床应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 新鲜尸体灌注标本CCTT扫描图像的三维重建

新鲜捐献成人尸体标本2具，血管正常，无明显周围血管病变和瘢痕，采用Tang和Chen[1]改良的明胶-氧化铅灌注方法经腹主动脉进行灌注，灌注前后均对全身行连续螺旋CT扫描，扫描条件：120 KV，110 mA，参数：层厚0.5 mm，矩阵512×512。应用Amira4.1软件从扫描的Dicom格式的图像数据中提取组织瓣各结构、生成面片，然后进行“光滑表面”和“去除岛屿”处理，对轮廓线进行适当简化，采用SDD进行三维表面重建。用同样方法对组织瓣血管、肌肉和骨骼等进行表面重建或容积重建，并制成视频资料进行动态观察。

1.2 正常成人血管造影CCTT扫描图像的三维重建

健康成人志愿者6人，男女各3人，取得患者知情同意，费用由本课题组支出。螺旋CT扫描前确定碘过敏试验阴性，经肘正中静脉注射非离子型造影剂优维显300（碘普罗胺注射液：碘普罗胺0.623 g/ml，碘300 mg/ml，广州先灵药业有限公司）90 ml，注射速度3.5 ml/s，自动监测，手动触发。CT扫描参数：120 KV、200 mA；层厚0.5 mm（可拆为0.891 mm的原始图像），将数据以Dicom格式导出。二维灰度Dicom格式的图像以三维数据形式进行存储，应用Amira4.1软件对组织瓣血管、肌肉和骨骼等进行表面重建或容积重建，并将数据单独保存。不同组织根据构图需要进行着色，一般骨为白色、血管为红色、肌肉为黄色，之后进行“光滑表面”或“透明化”修饰，以便观察所建的皮肤表面结构、内部血管形态以及两者间的毗邻关系，并制作视频资料进行动态观察。

1.3 图像测量

应用Amira4.1软件自带的测量工具（2D/3D直尺、2D/3D量角器）测量数字化组织瓣模型中供血动脉、皮瓣、骨瓣等部位的数据。

2 结果

2.1 氧化铅灌注标本CCTT扫描图像的三维重建

腓肠肌皮瓣模型显示（图1A）：腓肠肌内侧动脉起始处与穿支点的距离平均1.8 cm，重建的穿支血管数平均为5条，外径为0.3~0.8 mm，主干血管外径平均2.6 mm。髂骨瓣模型显示（图1B）：旋髂深动脉起点距髂前上棘的距离平均4.2 cm，旋髂深动脉主干外径平均3.1 mm，髂嵴内段穿支血管数平均为6条，外径为0.5~0.9 mm。氧化铅灌注标本CT扫描图像的三维重建技术，可显示组织瓣主要供血动脉，还可清晰显示皮肤、肌肉等组织器官内的小血管网分布状况，但过多过密地显示组织瓣周围血管网会遮盖主要大血管，以致难以辨别组织瓣的主要供血范围（图2）。

2.2 血管造影CCTT扫描图像的三维重建

腓肠肌皮瓣模型显示（图3A）：腓肠肌内侧动脉

应用Amira4.1软件自带的测量工具（2D/3D直尺、2D/3D量角器）测量数字化组织瓣模型中供血动脉、皮瓣、骨瓣等部位的数据。起始处与穿支点的距离平均2.0 cm，重建出的穿支血管数平均为2条，外径为0.1～0.5 mm，血管外径平均为2.0 mm。髂骨瓣模型显示（图3B）：旋髂深动脉起点距髂前上嵴的距离平均5.2 cm，旋髂深动脉主干外径平均为2.2 mm，髂嵴内段穿支血管数平均为2条，外径为0.2～0.5 mm。CT血管造影术三维构建的组织瓣模型与尸体解剖结构相符，可清晰显示皮瓣的主要供血动脉走行和分布，但部分穿支血管显像不清，只能手工重建，对皮瓣供血范围的显示还需软件升级（图3）。

2.3 数字化组织瓣模型的虚拟测量数据与传统尸体解剖数据比较

根据两种方法重建的组织瓣模型应用Amira4.1软件自带测量工具进行测量，并与传统尸体解剖学数据进行比较[2-5]。氧化铅灌注可清楚显示细小穿支血管以及血管网分布，但血管外径较正常血管外径范围大，主要是由于尸体标本加压灌注使血管扩张所致；CT血管造影血管外径在正常血管外径范围内，但均偏小，主要是由于CT三维重建时应用软件进行图像分割和光滑处理所造成的偏差（表1、2）。

3 讨论

获取骨科解剖学参数的方法有2种：①借助传统尸体解剖的实际测量方法；②目前新型的影像学测量方法。传统解剖是一种侵入性过程，被解剖过的尸体无法将器官及损伤还原，以往研究骨质和髓腔形态多采用铸型的方法，采用石蜡和石膏，先灌注，其次剖开骨质进行投影测量，操作过程复杂，但铸型在制作过程中极易损坏或铸型不全，很可能影响测量值的准确性和可靠性。尸体解剖方法测量关节假体的参数有一定困难[6,7]，而假体与股骨髓腔的匹配程度是实现理想的力学传导和获得假体长期稳定性的关键，可见解剖数据的准确性对假体设计尤为重要。传统X线片拍摄过程中的影响因素较多，如投照时中心、角度、距离的不确定性，且受放大率和患者体位的影响，容易出现系统误差，降低了测量的精确性。CT扫描技术可以提供断层影像，可层面显示解剖学结构，但传统CT图像三维重建的缺点包括：①不能导出通用的三维图形格式，因而不能应用于其他计算机辅助设计（CAD）软件，也不能应用于计算机辅助外科手术计划[8]；② CT以组织密度值区别不同的组织，对骨或造影血管等密度差异明显的组织显示较好，而对密度差异不明显的组织很难辨别，不能很好的表现生物组织结构。

表1 数字化腓肠肌皮瓣模型的测量数据

表2 数字化旋髂深动脉髂骨瓣模型的测量数据

近年来，CT/MRI三维重建在创伤骨科的应用已积累了丰富的文献资料[9]，包括辅助诊断，解剖学观察及参数测量，辅助手术设计，以及基于CT/MRI三维重建的快速成形技术[10,11]和生物力学分析等。三维CT可提供一种更精确地测量方法，用活体股骨近端CT三维重建后的模型进行股骨近端髓腔形态的计算机分析测量，为中国人假体置换或设计提供股骨近端解剖形态学方面的参考[12]。螺旋CT连续扫描获得的数据是多平面重建、三维表面重建、最大密度投影技术的基础，利用计算机的后处理软件，在轴位CT图像基础上进行再次重建处理，以更直观的方式显示病变与周围结构的空间关系，弥补轴位图像的不足。目前，螺旋CT扫描同时即可获取高质量多平面重建、容积重建、最大和最小密度投影等后处理图像，可直接获得相应的二维和三维图像，应用极为便捷。数据工作流程的高效自动化使多层CT成像流程得到很大程度优化，大大节省人工操作的时间，大幅度提高工作效率[13]。

3.1 虚拟解剖测量

虚拟解剖是一种非侵入性的新型“解剖”技术，它利用影像学技术构建人体器官组织的三维立体图像，三维CT重建能够真实反映骨骼的解剖形态结构和实际大小，提供丰富的骨骼图像信息，可进行全方位多角度测量。该方法的优点为：①实用有效、测量项目全面、操作简捷；② 测量数据误差微小、准确度高且稳定可靠；③可以直接从活体得到大量数据，适用范围广阔。CT、MRI数据和数字技术通过计算机重建人体组织结构的三维模型可真实反应人体的解剖学结构[14-16]，对重建的三维结构进行测量，获得长度、面积、体积和角度等大量精确的解剖参数，可以用于临床辅助诊断、辅助手术设计、手术模拟，以及教学和临床培训等方面。采用现代影像学、电脑图形图像处理、计算医学、现代临床解剖学和骨科学相结合建立的数字化组织瓣可为学生提供立体、直观、动态的组织瓣解剖学基础，将单调的二维式解剖图谱教学由平面变为立体，由静态变动态，由单面变多面，对解剖学教学和临床教学训练均有很大帮助[17-19]。

CT三维重建模型不仅可以还原解剖部位的真实形态，还能对解剖部位进行任一面切割，进行相关参数分析[20]。由于虚拟解剖测量更直接，数据获得更准确，因而可进行大样本统计测量[21,22]。利用数字分析法对虚拟解剖数据进行反复数字运算，可减少尸体标本的解剖分割。骨骼系统的虚拟解剖测量仅是虚拟解剖学的一个分支，更先进的虚拟现实技术也应用于医学解剖中，将一些图像源如CT、MRI、解剖断层图像进行三维重建，使操作者处于虚拟现实环境中，通过视觉、听觉和触觉进行解剖学研究和学习。扫描数据的后处理软件和临床应用软件可进一步拓展螺旋CT扫描数据的应用范围，提高三维CT检查的应用价值。临床应用上主要体现在辅助诊断、计算机辅助外科、放疗计划和虚拟内窥镜等方面。

随着现代高速交通运输以及高层建筑等行业的迅速发展，多发伤及复杂骨折的发生率升高。骨科医师对骨骼解剖已非常明晰，且三维CT也提供了进一步的影像信息，但作出全面诊断仍十分困难[23]。本研究基于传统CT图像处理，再进行三维图形技术重建数字组织瓣三维模型，可以输出多种三维软件（如3D Med和3D Slicer软件，Amira、3D doctor和Mimics等商业软件）通用的格式，以供后继的计算机辅助设计、有限元分析、虚拟现实以及计算机辅助外科计划研究使用。

3.2 血管造影数据集的特点

CT血管造影的优势：① 个体化，无创伤、无痛苦，操作安全、简便、快捷，价格相对低廉等；② 可以在后期重建中显示静脉；③三维构建无需标本，取材方便，所得图像与实体解剖结构相符，不仅适用临床解剖教学和训练，也适用于临床术前模拟和手术设计。CT血管造影的局限性：①无鉴别血流方向的软件功能，无法对动静脉血管进行分离，需要主观辨别、分离主要动静脉，不能利用设备本身建立独立的静脉系统图像，为静脉系统形态观察带来不利；②穿支血管和细小神经组织显示欠佳；③螺旋CT扫描是立体容积扫描，其数据采集和获得的信息是连续、不间断的，兴趣结构位置的移动会获得不准确的数据信息，导致成像误差[24]。

3.3 氧化铅灌注数据集的特点

氧化铅灌注的优势：①全身血管造影简便易行，可清晰显示皮肤、肌肉等组织器官内的血管分布状况，尤其是皮肤内的小血管网及其相互间的关系[25]；②二维图像能清晰显示脉管及其分支、穿支，立体感强，血管感官性好，对血管的分辨精度可以精细到0.2 mm，三维图像可清晰显示穿支血管解剖结构；③利用电脑图像处理技术，可精确测量每一支皮动脉的分布范围，有利于皮瓣的基础研究与临床外科皮瓣的应用设计。氧化铅灌注的局限性：①新鲜尸体标本来源不足，造影剂为重金属，有一定毒性；②血管内灌注大量造影剂后，在CT扫描图像上与骨骼的CT值相接近，难以通过计算机自动识别骨骼，不利于骨胳的3D可视化研究；③对血管进行三维重建时，选取组织不宜过多，否则密集的小血管将把中央一些重要的较大血管遮盖，反而难以分清解剖结构；④仅显示动脉，不能显示神经组织，无法进行连续断层解剖学研究，重建模型的使用具有局限性。

目前，以虚拟人切片构建的股前外侧皮瓣、背阔肌皮瓣、足背皮瓣等数字化皮瓣，可见皮肤与动脉关系清晰、实体感强，可直观、立体地显示其形态学特征，其应用于临床训练与教学已取得满意结果[26-33]。合理利用现有CT影像学技术，并对所得到的的数据资料进行图像处理、三维重建是目前最为简易、有效的操作形式。测量重建的三维结构模型，获得长度、面积、体积和角度等大量精确的解剖参数，可为显微外科的教学提供临床教材，也可用于临床辅助诊断、辅助手术设计和手术模拟等。精确显示生物组织复杂的三维结构，为组织瓣的临床手术应用提供了更精细的参考数据[34]。同时，我们应重视利用三维重建技术对组织瓣进行形态学测量研究中因数据丢失而造成模型的误差。虽然CT影像学资料可真实反应人体数据，在重建骨骼模型时可忽略细微误差，但应用于细小的组织瓣血管重建时，应考虑患者呼吸、体位和造影剂等对采集数据的影响，以及所应用CT仪器的标准模块是否合适，重建模型时应尽量减少图像分割、除噪和光滑等引起的偏差，重建后实际测量时也要避免测量中出现误差[35]。

[1]Tang XL,Chen X.A method of constant-rate perfusion for studying the renal vascular resistance of rats(author's transl).Zhongguo Yao Li Xue Bao,1981.2(3):166-169.

[2]郑和平,康庆林,张发惠.旋髂深动脉嵌合组织瓣的解剖学基础.中国临床解剖学杂志,2008,26(1):3-7.

[3]胡稷杰,金丹,赵辉,等.游离穿支皮瓣修复足踝部软组织缺损的临床效果.中国骨与关节外科,2012,5(4):348-351.

[4]胥少汀,葛宝丰,徐印坎.实用骨科学.第三版.北京:人民军医出版社,2004:1932-1935.

[5]刘洋,游浩,李明辉,等.高选择血管造影拟定股骨颈骨折分型标准的初步探讨.中国骨与关节外科,2010,3(2):133-137.

[6]Götze C,Vieth V,Meier N,et al.CT-based accuracy of implanting custom-made endoprostheses.Clin Biomech,2005,20(8):856-862.

[7]Adam F,Hammer DS,Pape D,et al.Femoral anatomy,computed tomography and computer-aided desin of prosthetic implants.Arch Orthop Trauma Surg,2002,122(5):262-268.

[8]马卫华,张树栋,王诗军,等.骨盆CT三维重建下髋臼形态的初步研究.中国骨与关节外科,2009,2(1):35-39.

[9]Lo LJ,Chen YR.Computer-aided reconstruction of traumatic fronto-orbital osseous defects:aesthetic considerations.Chang Gung Med J,2004,27(4):283-291.

[10]李鉴轶,张美超,赵卫东,等.激光三维扫描重建骨形态在解剖学教学中的应用.四川解剖学杂志,2005,13(3):30-31.

[11]刘怡,张洪定,崔欣,等.虚拟现实VRML程序设计.天津:南开大学出版社,2007:1-3.

[12]王岩,周飞虎,周勇刚,等.国人正常膝关节三维几何形态测量及相关研究.中国矫形外科杂志,2004,12(8):617-628.

[13]Thomas GF,Schaller S,Stierstorfer K,et al.Multi-detector CT systems and image-reconstruction techniques.Radiology,2005,235(3):756-773.

[14]Friedl R,Preisack MB,Klas W,et al.Virtual reality and 3D visualizations in heart surgery education.Heart Surg Forum,2002,5(3):17-21.

[15]Haluck RS,Krummel TM.Computers and virtual reality for surgical education in the 21st century.Arch Surg,2000,135(7):786-792.

[16]Warrick PA,Funnell WR.A VRML-based anatomical visualization tool for medical education.IEEE Trans Inf Technol Biomed,1998,2(2):55-61.

[17]Hounnou GM,Uhl JF,Plaisant O,et al.Morphometry by computerized three-dimensional reconstruction of the hypogastric plexus of a human fetus.Surg Radiol Anat,2003,25(1):21-31.

[18]Choplin RH,Buckwalter KA,Rydberg J,et al.CT with 3D rendering of the tendons of the foot and ankle:technique,normal anatomy,and disease.Radiographics,2004,24(2):343-356.

[19]Gibson S,Fyock C,Grimson E,et al.Volumetric object modeling for surgical simulation.Med Image Anal,1998,2(2):121-132.

[20]吴恺,杨茂伟,都承斐.人体足踝部有限元模型的建立及有效性分析.中国骨与关节外科,2012,5(4):352-356.

[21]Kaneuji A,Matsumoto T,Nishino M,et al.Three-dimensional morphological analysis of the proximal femoral canal,using computer-aided design system,in Japanese patients with osteoarthrosis of the hip.J Orthop Sci,2000,5(4):361-368.

[22]Villain N,Goussard Y,Idier J,et al.Three-dimensional edge-preserving image enhancement for computed tomography.IEEE Trans Med Imaging,2003,22(10):1275-1287.

[23]M Cimerman,A Kristan.Preoperative planning in pelvic and acetabular surgery:the value of advanced computerised planning modules.Pelvic and Acetabular Surgery,2007,38(4):442-449.

[24]豆勇刚,余斌,钟梅,等.三种人体数据集的腓骨瓣三维可视化应用研究.中华创伤骨科杂志,2008,10(7):647-650.

[25]Lou XF,Mei J,Tang M.Modified lead oxide-gelatin injection technique for angiography.Chinese Journal of Clinical Anatomy,2006,24(2):259-262.

[26]Zhang YZ,Li YB,Tang ML,et al.Application of three-dimensional digitalized reconstruction of an anterolateral thigh flap and an arterial dorsalis pedis flap.Microsurgery,2007,27(6):553-559.

[27]徐凯,裴国献,张元智,等.基于个人计算机对足背供区移植皮瓣的三维可视化设计.中国组织工程研究与临床康复,2007,11(25):4879-4882.

[28]裴国献,张元智.数字骨科学：一门骨科学新分支的萌生.中华创伤骨科杂志,2007,9(7):601-603.

[29]Zhang YZ,Li YB,Jiang YH,et al.Three-dimensional reconstructive methods in the visualization of anterolateral thigh flap.Surg RadiolAnat,2008,30(1):77-81.

[30]金丹,张元智,徐凯,等.数字化虚拟可视重建在显微外科骨瓣、肌骨瓣教学中的初步应用.中国医学教育技术,2008,22(3):432-435.

[31]任义军,任高宏,金丹,等.数字化股前外侧骨瓣的可视技术在临床中的初步应用.中华创伤骨科,2008,10(5):2.29.

[32]张元智,李严兵,唐茂林,等.数字化与虚拟现实技术在皮瓣移植中的应用.中华创伤骨科杂志,2006,8(6):501-504.

[33]Zhang YZ,Li YB,Tang ML,et al.Application of three-dimensional digitalized reconstruction of an anterolateral thigh flap and an arterial dorsalis pedis flap.Microsurgery,2007,27(6):553-559.

[34]裴国献.数字骨科学概念与临床初步应用.中华创伤骨科杂志,2008,10(2):101-102.

[35]周飞虎,王岩,周勇刚.国人正常股骨远端三维模型及骨形态测量研究.中国临床康复,2005,9(6):62-65.