可视化仿真手术在鼻背缩窄截骨术中的应用价值研究

安 阳， 李 东， 柳大烈

鼻部整形

可视化仿真手术在鼻背缩窄截骨术中的应用价值研究

安 阳， 李 东， 柳大烈

目的 评价数字医学在鼻背缩窄截骨术中的应用价值。方法 采集正常头颅CT扫描数据,通过自适应区域生长法,对CT序列图像进行程序分割和提取,采用医学图像处理软件对分割后的图像进行三维重建；将数据以STL格式导入 FreeForm Modeling System中修饰、平滑,利用GHOST SDK软件开发出各种仿真手术器械；运用PHANT OM力反馈设备进行鼻背缩窄截骨可视化仿真手术。结果 头颅三维模型重建后，能准确反映外鼻体积和解剖标志;能对鼻泪管进行体表投影；能模拟鼻背缩窄截骨术的手术环境，具有力的反馈感觉，犹如在手术台上做真实手术。结论 三维重建和可视化仿真手术有助于手术医师感受个体化鼻背缩窄截骨手术环境，了解外鼻及鼻泪管的解剖结构及相互的空间结构，并演练手术步骤;比较不同手术方案，可提高手术成功率和减少手术并发症的发生。

鼻背宽大; 截骨术; CT三维重建; 仿真手术; 数字医学

随着人们对鼻背宽大畸形矫正需求的增加, 鼻背及其周围的解剖学结构越来越受到整形医师的重视。医师在术前靠普通的影像学资料很难判断鼻背缩窄截骨区与周围结构(如鼻泪管和血管)的关系,容易导致手术并发症的发生。因此,充分了解外鼻的解剖结构及变异情况，熟悉手术步骤，制定手术方案对鼻背宽大畸形矫正是十分重要的。自2009年8月至2010年5月，笔者通过对头颅64排螺旋CT扫描数据收集，使用医学图像处理软件MIPS进行程序分割及三维重建，虚拟手术环境，演练手术过程，探讨可视化仿真手术在鼻背缩窄截骨术中的应用价值。

1 对象与方法

1.1 研究对象 健康成年志愿者的64排头颅CT扫描数据。

1.2 设备 64排螺旋CT-PHILIPS Brilliance 64 (荷兰，飞利浦公司)；高压注射器采用MEDRAD双筒高压注射器(美国，美德瑞达有限公司)；图像处理工作站为PHILIPS Brilliance 64排螺旋CT自带的Mxview工作站。

1.3 程序分割重建 利用医学图像处理软件MIPS。步骤如下：⑴将扫描数据拷贝到计算机中，由DICOM格式的图像转换成BMP格式；⑵将处理好的图片导入到医学图像处理软件MIPS中，利用区域生长法原理截取感兴趣区域，并对本课题研究所需的面颅骨及头颅皮肤软组织分别进行三维重建，并分别导出保存为STL格式。

1.4 光滑和配准 将重建好的各部分STL格式的图像导入FreeForm Modeling System软件中，对各解剖结构及血管进行去除噪声和自动配准。为区分不同部分，分别配以不同颜色。1.5 可视化仿真手术 在FreeForm Modeling System软件及其自带的力反馈设备PHANToM中，分别虚拟出鼻泪管和鼻背缩窄截骨术的手术环境，并按Huizing和de Groot[1]方法完成可视化仿真手术全过程。

2 结果

2.1 螺旋CT扫描结果 共收集正常人头颅(从颅顶到下颏)64排螺旋CT扫描图像420张，利用Mxview工作站刻录光盘将数据导出。

2.2 三维重建结果 程序分割的头颅三维模型重建迅速，共用时10 min，且重建后的外鼻及其周围的解剖结构显示清晰；三维重建较有效地模拟了外鼻情况，并能将头颅任意旋转、放大、缩小及透明化；可以观察到鼻泪管在头颅的空间位置及体表投影(图1)。

2.3 仿真手术 在FreeForm Modeling System应用系统及其自带的PHANToM力反馈设备中，虚拟了鼻背缩窄截骨术的环境，并利用此设备中的仿真手术刀、骨凿和画线笔等手术器械完成了鼻背缩窄截骨术可视化仿真手术全部过程。各步骤符合临床手术过程，骨凿截骨手术步骤有力反馈的感觉。⑴术前标记。标记皮肤切口以及软组织透明化后对应的骨组织位置(图2，3)。⑵鼻外侧截骨。通过鼻内-骨膜下入路，将鼻锥侧壁与上颌骨鼻突分离，沿设计线截骨，避开透明化可见的鼻泪管(图4，5)。⑶旁中线截骨及术后按压一侧截骨块的效果。通过鼻前庭顶部黏膜从鼻内入路，将两侧鼻骨与鼻中隔分离，术后可见两条清晰的截骨线，观察侧鼻截骨线与鼻泪管的毗邻关系及按压一侧软组织后软组织及离断鼻骨的位置变化(图6～9)。

3 讨论

3.1 数字医学在整形外科领域的应用现状 数字化可视人体是应用计算机图像技术和现代影像学方法获取人体解剖结构数据信息,在计算机上建立起全数字化的人体真实结构三维模型,应用于与人体结构有关的包括外科学在内的多个领域[2]。目前，国内外对人体器官三维重建的研究虽然大多集中于头颈部,但针对鼻整形的三维重建研究较少。现代科学技术的发展越来越体现多门学科的交叉和渗透。仿真手术作为正在发展的研究方向,是集医学、生物力学、机械学、计算机图形学等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。其目的是利用计算机技术模拟、指导医学手术所涉及的各种过程；利用图像数据，协助医师合理、定量地制定手术方案，选择最佳手术路径，减少手术损伤及对邻近组织的损害；运用虚拟手术系统可预演手术的整个过程，从而事先发现术中问题；医师还可在计算机建立的虚拟环境中设计手术过程、进刀的部位和角度，提高手术的成功率。近年来，三维重建可视化仿真手术已成为研究热点。国内许多学者[3-13]在可视化仿真手术研究方面，进行了很多深入的探讨；国外学者在口腔颌面外科、胸外科和骨科方面进行了较为广泛的应用研究[14-17]。

目前，国内外学者对整形外科领域仿真手术的研究还处在实验阶段，尚不能将可视化仿真手术真正应用于指导临床手术。如何使可视化仿真手术指导临床实际，成为现阶段可视化仿真手术研究的方向。本课题利用医学图像处理软件MIPS，对收集的图像数据进行程序分割重建。整个过程迅速，且重建质量好，将重建的三维模型导入FreeForm Modeling System应用系统及其自带的PHANTOM力反馈设备，能模拟手术环境，虚拟手术操作，并且可以对鼻泪管进行体表投影；手术前即可了解手术的安全范围，能够基本满足可视化仿真手术指导临床应用的需求。

3.2 可视化仿真手术在鼻背缩窄截骨术中的临床应用价值 通过对头颅螺旋CT扫描数据的采集,利用自适应区域生长法，对 CT图像进行计算机程序分割及利用医学图像处理软件进行三维重建。可视化仿真手术根据鼻背缩窄侧鼻安全截骨线：“截骨从下鼻甲上部的附着部位开始,于骨膜下沿鼻领沟进行,避开鼻外侧静脉,于眼窝内下方大约相距3.5 mm左右,到内眦水平为止”进行[18]。通过对骨性鼻泪管的体表投影及透明可视化，可以让手术者对截骨区域的位置、周围重要结构的关系，有一个全方位的、非常透彻的认识,及早认清和提防手术中可能会碰到的问题。同时,利用 FreeForm Modeling System和PHANT OM系统,术者可以轻松地操纵各种仿真手术器械在三维模型上做仿真画线、截骨等操作,模拟鼻背缩窄截骨手术的整个手术过程；仿真程度高，形象生动，且有“力” 的真实感受，犹如在手术台上直接操作真实的手术,效果令人满意。术后按压一侧侧鼻，软组织透视化后，见对应的骨性结构移位，可以了解截骨后鼻外形塑形及对应的骨性结构变化情况，提前预测手术效果。通过鼻背缩窄截骨术的三维重建和可视化仿真手术研究,可以帮助医师在手术前合理制定个体化的手术方案,对选择最佳手术方式、增加手术成功率、减小手术损伤、降低手术风险和并发症的发生等具有十分重要的意义；还可以增进术前医患交流,通过个性化设计，减少医疗纠纷，降低患者和医院的开支；另外,在临床教学中还可以提供直观的手术过程,增加年轻医师和学生动手的机会,改变传统的依靠碳素笔手描线解剖图谱学习手术的方法,直接以患者真实的材料作为手术对象,从而改变了传统的医学教学模式。随着计算机和医学技术手段的不断进步,医学图像三维重建和可视化仿真手术这一多学科交叉领域的先进技术将会在临床中越来越显示出它的巨大应用价值,推动整形外科的发展。

图1 头颅三维重建及软组织透明化(绿色区域为鼻泪管位置) 图2 皮肤切口设计 图3 截骨设计线(蓝色) 图4 模拟鼻外侧截骨(绿线为鼻泪管的体表投影) 图5 软组织透明化后鼻外侧截骨 图6 模拟鼻旁中线截骨 图7 软组织透明化后鼻旁中线截骨 图8 鼻截骨术后按压左侧截骨 图9 软组织透明化后按压左侧截骨块

Fig 1 3D reconstruction model of the skull, soft tissue transparent (green is the location of nasolacrimal duct). Fig 2 Marking of preoperative skin. Fig 3 Marking of osteotomy (blue). Fig 4 Simulation of lateral nasal osteotomy(green is projection of body surface of nasolacrimal duct). Fig 5 Lateral nasal osteotomy after the soft tissue transparent. Fig 6 Simulation of paranasal midline osteotomy.Fig 7 Paranasal midline osteotomy after soft tissue transparency. Fig 8 Pressing of the left cutting bone after nasal osteotomy. Fig 9 Displacement of left cutting bone by pressing after the soft tissue transparent.

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Application of visible simulation surgery in nasal osteotomies for the wide nasal dorsum

AN Yang, LI Dong, LIU Da-lie.

(Department of Plastic Surgery, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China)

Objective To evaluate the clinical application of digital medicine in nasal osteotomies for the wide nasal dorsum. Methods The data CT scanning of normal adult heads were collected, the automatic extraction and segment were carried on to the CT sequence images based on the algorithm of auto adapted region growing. The images which had been segmented were proceeded the 3D reconstruction by medical image proceeding system which was designed by us. Then reconstructed objectives were imported into FreeForm Modeling System in the form of STL format to embellish and smooth. Using the GHOST SDK soft ware of FreeForm Modeling System Various instruments were developed. Investigate the visual simulation surgery of nasal osteotomies with PHANT OM soft ware. Results Three-dimensional reconstruction of heads could accurately reflect the volume and anatomic landmark of the nose, perform body surface projection of nasolacrimal duct and the simulate the surgery environment of nasal osteotomies with a sense of force feedback during the whole operation which make people feel to operate a real surgery. Conclusion Three-dimensional reconstruction and visible simulation surgery will help the surgeon know the surgery environment of individualized nasal osteotomies, understand the anatomical and spatial structures of the nose and nasolacrinal duct, simulate operating procedure, and compare different surgical programs to improve achievement ratio and reduce surgical complications.

Wide nasal dorsum; Osteotomy; 3D-CD reconstruction; Simulation surgery; Digital medicine

100191 北京，北京大学附属第三医院 成形外科(安 阳, 李 东);南方医科大学珠江医院 整形外科(柳大烈) 第一作者：安 阳(1980-)，男，北京人，主治医师，博士. 通信作者：李 东，100191，北京大学附属第三医院 成形外科，电子信箱：lidong9@sina.com

10.3969/j.issn.1673-7040.2015.02.010

R319

A

1673-7040(2015)02-0092-04

2014-09-09)