交互式医学图像控制系统（MIMICS）在颌面部骨折手术中的应用研究

刘 杨，塔依尔·阿力甫，居来提·吐尔逊，姚志涛，阿迪力江·赛买提，张永富，买买提吐逊·吐尔地

•颌面美容•

交互式医学图像控制系统（MIMICS）在颌面部骨折手术中的应用研究

刘 杨，塔依尔·阿力甫，居来提·吐尔逊，姚志涛，阿迪力江·赛买提，张永富，买买提吐逊·吐尔地

（新疆医科大学第一附属医院颌面部创伤正颌外科 新疆 乌鲁木齐 830054）

目的：探讨交互式医学图像控制系统在计算机辅助颌面部骨折手术中的应用价值。为陈旧性的创伤性颌面部不对称患者及严重骨折患者术前精确设计手术方案及达到术后良好效果提供可靠依据。方法：对18例拟进行颌面部骨折复位的创伤患者头面部三维CT断层扫描图像,识别确定重建对象,对骨组织采用灰度阈值法进行自动重建；采用MIMICS软件对获取的医学信息进行建模。根据颌面创伤外科医生制订的方案在模型中完成手术的模拟和骨折断端镜像重建，预测骨折断端的正常位置恢复颌面部的对称性。结果：完成了颌面骨组织的患者头面部三维重建模型。镜像模拟了颌骨骨折复位手术移动骨断端过程，预测骨折复位的正常解剖位置，并且以动态动画形式演示,可从任意角度进行观察。实现了颌面部创伤手术中骨折断端复位的正确指导，术后骨组织移位的可视化预测。结论：利用医学影像资料,采用MIMICS软件可实现人头面部复杂结构的三维重建和镜像模拟，可以动态形式完成颌面部骨折手术的模拟复位，尤其对陈旧性、多发性骨折的术前预测骨折断端的复位精度，并提高了骨折复位的准确度和精度。可在计算机屏幕前制定手术方案，进行手术医师术前手术评估和预测，提高了颌面部骨折手术的有效性、精确性和矫治效果。

MIMICS；骨折；颌面创伤；镜像；可视化；骨折复位

21世纪以来，随着计算机技术的不断进步及其应用领域的广泛扩展，各类医用工程软件应运而生。交互式医学图像控制系统(Materialise’s interactive medical image control system，MIMICS)软件是由比利时Materialise公司研发的一款集快速原型技术和逆向工程技术于一体的医用三维图像处理软件，可用于临床诊断、手术方案制定、手术模拟等领域。口腔颌面部是人体的暴露部分，易受外力而导致颌面部骨折，比较常见的有交通事故、高空坠落、击打、爆炸、极少数可由医源性因素导致损伤[1]。颌骨解剖结构复杂，因此常导致严重的多发性骨折。如何从宏观及全局的视角制定有效的手术方案，很大程度上决定着骨折复位的精确性，也成为临床医师们关心和研究的课题之一。因此，笔者科室使用MIMICS软件对18例拟行骨折复位手术的颌面部多发骨折患者的影像资料进行三维重建、镜像模拟、以动态形式完成颌面部骨折手术的模拟复位，以探讨 MIMICS在颌面部骨折复位手术中的临床价值。

1 资料和方法

1.1 临床资料：研究对象均选自2014年1月-2016年6月于新疆医科大学第一附属医院颌面部创伤正颌外科就诊的患者。本组共18例，其中男14例，女4例，平均年龄为31.5岁，其中1例女性为未成年人。有研究表明颌面部骨折男性发病率明显高于女性[2]。上述对象其中车祸致伤9例、高处坠落致伤5例、重物砸伤4例。具体见表1。

1.2 方法

1.2.1 CT采集数据：患者入院后于疆医科大学第一附属医院影像中心CT室进行三维螺旋无增强扫描。所采用设备为美国GE公司生产的64排螺旋CT扫描机(GE-Lightspeed plus 64) 及其工作站(GE Advantage Workstation 4.0)。扫描范围自颅顶处始，至下颌骨下缘止；三维螺旋CT的扫描数据以DICOM (digital imaging and communication in medicine)格式输出，并使用光盘保存。

1.2.2 三维模型重建：将所需的建模范围选择为自颅顶到下颌骨下缘所在的断层，三维CT获得的医学信息资料直接导入MIMICS 软件中。完成建模后，可以STL格式文件输出并保存所得三维可视化虚拟模型。

1.2.3 镜像（Mirroring）：在交互式医学图像控制系统（MIMICS）中的simulation模块将所建立的三维可视化虚拟模型打开并进行3D模型计算，将所需要的骨折断端使用该软件中的分割工具进行切分，把健侧连续性完好的骨端镜像致患侧，并将所分离出的患侧骨折断端以所得的镜像数据作为参照进行移动、复位恢复其正常的解剖形态。

1.2.4 模拟手术：根据患者的病史资料、体征、曲面断层片、CT影像等资料，由经验丰富的颌面外科医师，并经科室读片讨论后制订最终手术方案。通过MIMICS软件移动骨折断端，反复模拟复位、测量分析，确定骨折断端移动距离。并通过MIMICS软件界面动态镜像的预测演示术后的复位效果。利用快速成型技术将之前所得镜像后数据制作三维头颅模型，在三维头颅模型上预弯骨折内固定钛板，用于术中引导骨折复位。

表1 18例颌面部骨折患者一般资料统计 （例）

1.3 术后效果评价标准：针对颌面部骨折的复杂性，可以从骨折断端复位程度，面部外形恢复的患者满意度，张口度，咬牙合关系的恢复，患者视力、眼球动度、有无复视等方面进行术后效果的评价，结合以上指标根据患者术后1周及术后3个月内定期随访复诊结果进行分级评估。优：骨折断端复位良好，面部外形恢复良好，张口度正常，无张口受限（开口度大于4cm或三横指），咬牙合关系正常，患者视力、眼球活动度正常，无复视；良：骨折断端复位良好，面部外形恢复基本满意，张口轻度受限（开口度3～4cm或两横指），咬合关系欠佳（有轻微前牙开牙合、个别牙错牙合），患者视力正常、无复视、但眼球活动度欠佳；差：骨折断端未复位，错位愈合，面部外形恢复差，张口受限（开口度小于3cm或一横指），存在明显错牙合畸形并严重影响咀嚼，患者视力、眼球动度异常并伴复视等症状。

2 结果

术后1个月随访，结果见表2。

表2 18例颌面部骨折患者术后1个月疗效统计 （例）

3 典型病例

患者，男，32岁，半月前因车祸致头面部外伤。伤后患者有昏迷症状，CT显示：右侧额颞硬膜外血肿、左侧颞叶脑挫裂伤、右侧面部多发骨折，遂由神经外科先行收治。患者生命体征平稳后转至笔者科室，该患者CT可见：右侧颧骨颧弓多发骨折、右上颌骨多发骨折（右侧眶外侧缘眶下缘骨折、右上颌窦前壁骨折）（见图1～2）。临床症状：该患者双侧面部不对称，右侧面部明显塌陷；于右侧颧骨颧弓、眶外侧缘眶上缘、上颌窦前壁可触及多处台阶感；中度张口受限。将该患者螺旋CT原始数据以DICOM格式导入MIMICS中进行三维重建，获得STL格式的三维可视化虚拟模型（见图3）。将骨折区域进行分割（见图4）照文中所述步骤进行镜像模拟（见图5）。由有经验的颌面外科医师反复研究观看模拟手术并按照术前方案，通过术前预先弯制的骨折内固定钛板引导复位，实施精确骨折复位手术。该患者术后1个月随访复查，CT结果示：骨折断端均复位良好（见图6）。患者张口度、咬牙合关系均恢复良好，达正常水平。

图1 颌面部CT横断位平扫

图2 颌面部CT冠状位平扫

图3 MIMICS重建三维可视化虚拟模型

图4 骨折区域分割提取

图5 镜像模拟后的三维模型

图6 术后三维重建模型

4 讨论

口腔颌面部生理解剖结构的复杂决定了该部位骨折的复杂性，其骨骼有别于躯干等部位,形态各异、精巧且较为薄弱，毗邻颅底，同时又是构成口腔、鼻腔与眼眶的骨性支架。其结构的复杂性加之受力大小、方向、部位的不同又决定了该部位发生骨折的类型多样性。一般颌面部骨折患者多伴有颅脑损伤、多脏器损伤等较为严重且危及生命的并发症。待患者生命体征平稳转入颌面外科就诊时，颌面部骨折多发展为错位愈合，一定程度上影响患者颌面部形态、口腔功能的恢复，更是加大了骨折复位手术的难度。传统手术模式中术者凭借个人经验进行复位，手术操作时间长，难以准确复位解剖结构。并且常常导致术后瘢痕、神经损伤等并发症，影响预后效果，与准确重建颌面部外形及功能的要求存在一定的距离[3-4]。针对此种现实情况，更加突显了交互式医学图像控制系统在计算机辅助颌面部骨折手术中的应用价值。

目前,国内外利用CT、MRI等进行三维重建已研究多年，其研究成果正初步运用于临床，其中最具代表性的就是医学图像三维可视化技术。通过三维重建二维数据达到重构人体的器官组织及病变部位的目的，从而提高了医疗诊断和治疗的精确性和科学性。医学图像三维可视化在提供医生诊断信息、模拟手术、临床诊断和治疗方面都发挥着至关重要的作用。该技术在医学领域尤其是颅颌面创伤领域有着广泛的应用前景[5-7]。

螺旋CT三维图像可以使临床医师更加直观地了解三维立体空间的实际大小、形态、位置及周围组织的立体解剖关系[8]，但存在一定的弊端，例如：重建过程中数据丢失造成假性骨折线、空洞征等。mimics软件则是实现生物体CT数据直接到3D模型的“无缝衔接工具”。它基于螺旋CT断层扫描得到标准数据，利用其强大的自动三维建模功能使原始图像无需进行任何形式转换，减少了建模过程中的人为因素，使得所建几何模型外形更加逼真、精确[9-10]。

利用mimics所重建的三维可视化模型不仅逼真、精确，还可以任意进行动态旋转，进行多角度观察，并能显示不同解剖层面的细微结构，可供术者多方位了解骨折断端情况。通过模拟手术功能所得动画视频可以供术者反复研究观看熟悉手术方案及骨折断端复位路径。此外，该软件还可进行骨折断端复位后的软组织形变的预测。本研究中利用mimics进行手术模拟，不仅提高了临床医师手术方案制定的科学性、手术实施的精确性、手术成功率、手术效果的患者满意度，还可以向患者及其家属演示手术过程和预期效果，改变传统医患交流模式，使医患交流有质的改变，从而可以很大程度上避免误解、矛盾甚至医患纠纷。

综上所述，交互式医学图像控制系统（MIMICS）在颌面外科临床工作中发挥着不可替代的作用。虽然该软件也具有一定的局限性，例如：颌面部多发骨折（非单侧，过中线）无法使用镜像功能等，但其作为传统外科向数字化外科发展的桥梁，值得广大临床医师应用并探索其潜在的功能，使其进一步为医疗、教学、医患沟通等方面的高效化提供支持和保障。

[1]忻文雷,李耀俊,厉祯,等.口腔颌面部骨折88例临床分析[J]．口腔颌面外科杂志,2010,20(3):192-194.

[2]Motamedi HK. An assessment of maxillofacial fractures: a 5-year study of 237 patients[J].J Oral Maxillofac Surg,2003,61(I):61-64.

[3]Zhang QB,Dong YJ,Li ZB,et a1.Coronal incision for treating zygomatic complex fractures[J].J Craniomaxillofac Surg,2006,34(3):182-185.

[4]Shetty SK,Saikrishna D,Kumaran S.A study on coronal incision for treating zygomatic complex fractures[J].J Max-illofac Oral Surg,2009,8(2):160-163.

[5]Terzopoulos MT.Deformable models in medical image analysis:a survey[J].Medical Image Analysis,1996,1(2):91.

[6]Jan Klein.Computers&Graphies Visual computing for medical diagnosis and treatment[J].Computers and Graphics 2009,33(4):554-565.

[7]《中国组织工程研究与临床康复》学术部.医学图像三维可视化仿真研究的学术与技术发展[J].中国组织工程研究与临床康复,2009,52:10256-10257.

[8]李志刚,王田力.螺旋CT扫描和三维重建成像在口腔颌面部骨折的应用[J].实用口腔医学杂志,2007,23 (1):51-53.

[9]Kavanagh EP,Frawley C,Kearns G,et al.Use of finiteelement analysis in presurgical planning:Treatment of mandibular fractures[J].Ir J Med Sci,2008,177(4):325-331.

[10]Buyukkurt Mc,Tozoglu S,Yavuz Ms,et al.Simulation of sinus floor augmentation with symphysis bone graft using threedimensional computerized tomography[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2010,39(8):788-792.

Application of Materialise’s Interactive Medical Image Control System (MIMICS) in the Maxillo-facial Trauma Surgery

LIU Yang, Tayier·ALIFU, Julaiti·TU’ERXUN,YAO Zhi-tao,Adilijiang·SAIMAITI, ZHANG Yongfu,Maimaitituxun·TU’ERDI
(Department of Oral Maxillofacial Surgery,First Teaching Hospital, Xinjiang Medical University,Urumqi 830054, Xinjiang,China)

Objective To evaluate the value of Materialise’s Interactive Medical Image Control System (MIMICS) in the computer aided surgery. To offer a reliable system for precise surgical planning and good effect of maxillo-facial trauma surgery.MethodsBased on CT images, geometric characteristics of 18 patients’ head were collected for a 3D reconstruction of the human head. Skull, maxilla, mandibula and zygomatic bone were reconstructed and optimized separately by MIMICS 10.01. Surgeries were simulated and the reduction of the diviated bony deformation was predicted according to the surgical planning of experienced maxillo-facial trauma surgeon.ResultsMesh of skull, maxilla, mandibula and zygomatic bone was constructed manually for 18 patients. Surgical procedures were simulated and the prediction of hard tissue deformation was realized by MIMICS, which could be visualized in any angle.ConclusionMIMICS is a helpful digital tool for computer aided trauma surgery and the prediction of fracture reduction. MIMICS is also a 3D visualization system for maxillo-facial trauma surgeries, by which surgeons could realize the surgical planning, revising, and pre-op plan making on the computer screen.

MIMICS;fracture; maxillo-facial trauma surgery; visualization; mirroring; fracture reduction

R782.2

A

1008-6455（2017）02-0081-03

2016-11-15

2016-12-30

编辑/李阳利

买买提吐逊•吐尔地，男，维吾尔族，副教授、副主任医师、研究生导师；E-mail：529849593@qq.com