可視化仿真手術(shù)在鼻背縮窄截骨術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值研究

安 陽(yáng)， 李 東， 柳大烈

鼻部整形

可視化仿真手術(shù)在鼻背縮窄截骨術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值研究

安 陽(yáng)， 李 東， 柳大烈

目的 評(píng)價(jià)數(shù)字醫(yī)學(xué)在鼻背縮窄截骨術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值。方法 采集正常頭顱CT掃描數(shù)據(jù),通過(guò)自適應(yīng)區(qū)域生長(zhǎng)法,對(duì)CT序列圖像進(jìn)行程序分割和提取,采用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件對(duì)分割后的圖像進(jìn)行三維重建；將數(shù)據(jù)以STL格式導(dǎo)入 FreeForm Modeling System中修飾、平滑,利用GHOST SDK軟件開(kāi)發(fā)出各種仿真手術(shù)器械；運(yùn)用PHANT OM力反饋設(shè)備進(jìn)行鼻背縮窄截骨可視化仿真手術(shù)。結(jié)果 頭顱三維模型重建后，能準(zhǔn)確反映外鼻體積和解剖標(biāo)志;能對(duì)鼻淚管進(jìn)行體表投影；能模擬鼻背縮窄截骨術(shù)的手術(shù)環(huán)境，具有力的反饋感覺(jué)，猶如在手術(shù)臺(tái)上做真實(shí)手術(shù)。結(jié)論 三維重建和可視化仿真手術(shù)有助于手術(shù)醫(yī)師感受個(gè)體化鼻背縮窄截骨手術(shù)環(huán)境，了解外鼻及鼻淚管的解剖結(jié)構(gòu)及相互的空間結(jié)構(gòu)，并演練手術(shù)步驟;比較不同手術(shù)方案，可提高手術(shù)成功率和減少手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生。

鼻背寬大; 截骨術(shù); CT三維重建; 仿真手術(shù); 數(shù)字醫(yī)學(xué)

隨著人們對(duì)鼻背寬大畸形矯正需求的增加, 鼻背及其周?chē)慕馄蕦W(xué)結(jié)構(gòu)越來(lái)越受到整形醫(yī)師的重視。醫(yī)師在術(shù)前靠普通的影像學(xué)資料很難判斷鼻背縮窄截骨區(qū)與周?chē)Y(jié)構(gòu)(如鼻淚管和血管)的關(guān)系,容易導(dǎo)致手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生。因此,充分了解外鼻的解剖結(jié)構(gòu)及變異情況，熟悉手術(shù)步驟，制定手術(shù)方案對(duì)鼻背寬大畸形矯正是十分重要的。自2009年8月至2010年5月，筆者通過(guò)對(duì)頭顱64排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)收集，使用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件MIPS進(jìn)行程序分割及三維重建，虛擬手術(shù)環(huán)境，演練手術(shù)過(guò)程，探討可視化仿真手術(shù)在鼻背縮窄截骨術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 健康成年志愿者的64排頭顱CT掃描數(shù)據(jù)。

1.2 設(shè)備 64排螺旋CT-PHILIPS Brilliance 64 (荷蘭，飛利浦公司)；高壓注射器采用MEDRAD雙筒高壓注射器(美國(guó)，美德瑞達(dá)有限公司)；圖像處理工作站為PHILIPS Brilliance 64排螺旋CT自帶的Mxview工作站。

1.3 程序分割重建 利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件MIPS。步驟如下：⑴將掃描數(shù)據(jù)拷貝到計(jì)算機(jī)中，由DICOM格式的圖像轉(zhuǎn)換成BMP格式；⑵將處理好的圖片導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)圖像處理軟件MIPS中，利用區(qū)域生長(zhǎng)法原理截取感興趣區(qū)域，并對(duì)本課題研究所需的面顱骨及頭顱皮膚軟組織分別進(jìn)行三維重建，并分別導(dǎo)出保存為STL格式。

1.4 光滑和配準(zhǔn) 將重建好的各部分STL格式的圖像導(dǎo)入FreeForm Modeling System軟件中，對(duì)各解剖結(jié)構(gòu)及血管進(jìn)行去除噪聲和自動(dòng)配準(zhǔn)。為區(qū)分不同部分，分別配以不同顏色。1.5 可視化仿真手術(shù) 在FreeForm Modeling System軟件及其自帶的力反饋設(shè)備PHANToM中，分別虛擬出鼻淚管和鼻背縮窄截骨術(shù)的手術(shù)環(huán)境，并按Huizing和de Groot[1]方法完成可視化仿真手術(shù)全過(guò)程。

2 結(jié)果

2.1 螺旋CT掃描結(jié)果 共收集正常人頭顱(從顱頂?shù)较骂W)64排螺旋CT掃描圖像420張，利用Mxview工作站刻錄光盤(pán)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

2.2 三維重建結(jié)果 程序分割的頭顱三維模型重建迅速，共用時(shí)10 min，且重建后的外鼻及其周?chē)慕馄式Y(jié)構(gòu)顯示清晰；三維重建較有效地模擬了外鼻情況，并能將頭顱任意旋轉(zhuǎn)、放大、縮小及透明化；可以觀察到鼻淚管在頭顱的空間位置及體表投影(圖1)。

2.3 仿真手術(shù) 在FreeForm Modeling System應(yīng)用系統(tǒng)及其自帶的PHANToM力反饋設(shè)備中，虛擬了鼻背縮窄截骨術(shù)的環(huán)境，并利用此設(shè)備中的仿真手術(shù)刀、骨鑿和畫(huà)線筆等手術(shù)器械完成了鼻背縮窄截骨術(shù)可視化仿真手術(shù)全部過(guò)程。各步驟符合臨床手術(shù)過(guò)程，骨鑿截骨手術(shù)步驟有力反饋的感覺(jué)。⑴術(shù)前標(biāo)記。標(biāo)記皮膚切口以及軟組織透明化后對(duì)應(yīng)的骨組織位置(圖2，3)。⑵鼻外側(cè)截骨。通過(guò)鼻內(nèi)-骨膜下入路，將鼻錐側(cè)壁與上頜骨鼻突分離，沿設(shè)計(jì)線截骨，避開(kāi)透明化可見(jiàn)的鼻淚管(圖4，5)。⑶旁中線截骨及術(shù)后按壓一側(cè)截骨塊的效果。通過(guò)鼻前庭頂部黏膜從鼻內(nèi)入路，將兩側(cè)鼻骨與鼻中隔分離，術(shù)后可見(jiàn)兩條清晰的截骨線，觀察側(cè)鼻截骨線與鼻淚管的毗鄰關(guān)系及按壓一側(cè)軟組織后軟組織及離斷鼻骨的位置變化(圖6～9)。

3 討論

3.1 數(shù)字醫(yī)學(xué)在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀 數(shù)字化可視人體是應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)和現(xiàn)代影像學(xué)方法獲取人體解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息,在計(jì)算機(jī)上建立起全數(shù)字化的人體真實(shí)結(jié)構(gòu)三維模型,應(yīng)用于與人體結(jié)構(gòu)有關(guān)的包括外科學(xué)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域[2]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)人體器官三維重建的研究雖然大多集中于頭頸部,但針對(duì)鼻整形的三維重建研究較少?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越體現(xiàn)多門(mén)學(xué)科的交叉和滲透。仿真手術(shù)作為正在發(fā)展的研究方向,是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域。其目的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過(guò)程；利用圖像數(shù)據(jù)，協(xié)助醫(yī)師合理、定量地制定手術(shù)方案，選擇最佳手術(shù)路徑，減少手術(shù)損傷及對(duì)鄰近組織的損害；運(yùn)用虛擬手術(shù)系統(tǒng)可預(yù)演手術(shù)的整個(gè)過(guò)程，從而事先發(fā)現(xiàn)術(shù)中問(wèn)題；醫(yī)師還可在計(jì)算機(jī)建立的虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)手術(shù)過(guò)程、進(jìn)刀的部位和角度，提高手術(shù)的成功率。近年來(lái)，三維重建可視化仿真手術(shù)已成為研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者[3-13]在可視化仿真手術(shù)研究方面，進(jìn)行了很多深入的探討；國(guó)外學(xué)者在口腔頜面外科、胸外科和骨科方面進(jìn)行了較為廣泛的應(yīng)用研究[14-17]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)整形外科領(lǐng)域仿真手術(shù)的研究還處在實(shí)驗(yàn)階段，尚不能將可視化仿真手術(shù)真正應(yīng)用于指導(dǎo)臨床手術(shù)。如何使可視化仿真手術(shù)指導(dǎo)臨床實(shí)際，成為現(xiàn)階段可視化仿真手術(shù)研究的方向。本課題利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件MIPS，對(duì)收集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行程序分割重建。整個(gè)過(guò)程迅速，且重建質(zhì)量好，將重建的三維模型導(dǎo)入FreeForm Modeling System應(yīng)用系統(tǒng)及其自帶的PHANTOM力反饋設(shè)備，能模擬手術(shù)環(huán)境，虛擬手術(shù)操作，并且可以對(duì)鼻淚管進(jìn)行體表投影；手術(shù)前即可了解手術(shù)的安全范圍，能夠基本滿足可視化仿真手術(shù)指導(dǎo)臨床應(yīng)用的需求。

3.2 可視化仿真手術(shù)在鼻背縮窄截骨術(shù)中的臨床應(yīng)用價(jià)值 通過(guò)對(duì)頭顱螺旋CT掃描數(shù)據(jù)的采集,利用自適應(yīng)區(qū)域生長(zhǎng)法，對(duì) CT圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)程序分割及利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件進(jìn)行三維重建?？梢暬抡媸中g(shù)根據(jù)鼻背縮窄側(cè)鼻安全截骨線：“截骨從下鼻甲上部的附著部位開(kāi)始,于骨膜下沿鼻領(lǐng)溝進(jìn)行,避開(kāi)鼻外側(cè)靜脈,于眼窩內(nèi)下方大約相距3.5 mm左右,到內(nèi)眥水平為止”進(jìn)行[18]。通過(guò)對(duì)骨性鼻淚管的體表投影及透明可視化，可以讓手術(shù)者對(duì)截骨區(qū)域的位置、周?chē)匾Y(jié)構(gòu)的關(guān)系，有一個(gè)全方位的、非常透徹的認(rèn)識(shí),及早認(rèn)清和提防手術(shù)中可能會(huì)碰到的問(wèn)題。同時(shí),利用 FreeForm Modeling System和PHANT OM系統(tǒng),術(shù)者可以輕松地操縱各種仿真手術(shù)器械在三維模型上做仿真畫(huà)線、截骨等操作,模擬鼻背縮窄截骨手術(shù)的整個(gè)手術(shù)過(guò)程；仿真程度高，形象生動(dòng)，且有“力” 的真實(shí)感受，猶如在手術(shù)臺(tái)上直接操作真實(shí)的手術(shù),效果令人滿意。術(shù)后按壓一側(cè)側(cè)鼻，軟組織透視化后，見(jiàn)對(duì)應(yīng)的骨性結(jié)構(gòu)移位，可以了解截骨后鼻外形塑形及對(duì)應(yīng)的骨性結(jié)構(gòu)變化情況，提前預(yù)測(cè)手術(shù)效果。通過(guò)鼻背縮窄截骨術(shù)的三維重建和可視化仿真手術(shù)研究,可以幫助醫(yī)師在手術(shù)前合理制定個(gè)體化的手術(shù)方案,對(duì)選擇最佳手術(shù)方式、增加手術(shù)成功率、減小手術(shù)損傷、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和并發(fā)癥的發(fā)生等具有十分重要的意義；還可以增進(jìn)術(shù)前醫(yī)患交流,通過(guò)個(gè)性化設(shè)計(jì)，減少醫(yī)療糾紛，降低患者和醫(yī)院的開(kāi)支；另外,在臨床教學(xué)中還可以提供直觀的手術(shù)過(guò)程,增加年輕醫(yī)師和學(xué)生動(dòng)手的機(jī)會(huì),改變傳統(tǒng)的依靠碳素筆手描線解剖圖譜學(xué)習(xí)手術(shù)的方法,直接以患者真實(shí)的材料作為手術(shù)對(duì)象,從而改變了傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)模式。隨著計(jì)算機(jī)和醫(yī)學(xué)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步,醫(yī)學(xué)圖像三維重建和可視化仿真手術(shù)這一多學(xué)科交叉領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)將會(huì)在臨床中越來(lái)越顯示出它的巨大應(yīng)用價(jià)值,推動(dòng)整形外科的發(fā)展。

圖1 頭顱三維重建及軟組織透明化(綠色區(qū)域?yàn)楸菧I管位置) 圖2 皮膚切口設(shè)計(jì) 圖3 截骨設(shè)計(jì)線(藍(lán)色) 圖4 模擬鼻外側(cè)截骨(綠線為鼻淚管的體表投影) 圖5 軟組織透明化后鼻外側(cè)截骨 圖6 模擬鼻旁中線截骨 圖7 軟組織透明化后鼻旁中線截骨 圖8 鼻截骨術(shù)后按壓左側(cè)截骨 圖9 軟組織透明化后按壓左側(cè)截骨塊

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，北京大學(xué)附屬第三醫(yī)院 成形外科(安 陽(yáng), 李 東);南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院 整形外科(柳大烈) 第一作者：安 陽(yáng)(1980-)，男，北京人，主治醫(yī)師，博士. 通信作者：李 東，100191，北京大學(xué)附屬第三醫(yī)院 成形外科，電子信箱：lidong9@sina.com

10.3969/j.issn.1673-7040.2015.02.010

R319

A

1673-7040(2015)02-0092-04

2014-09-09)