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数字医学技术在颧骨复合体缩小术中的应用与研究

作　者: 袁金学
导　师: 柳大烈
学　校: 南方医科大学
专　业: 外科学
关键词: 数字医学亚毫米颧骨复合体三维重建仿真手术
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

研究背景：面部轮廓由面部软组织和骨性结构组成,主要还取决于上下颌骨和颧骨复合体(zygomatic complex)的形态特征。其中,位于中面部的颧骨复合体形态对面部轮廓影响非常大。颧骨复合体形态异常,明显导致上、中、下面部宽度比例失调,侧面柔和S形曲线丧失,呈现粗壮化或“凶相”,使得面部美学比例关系失调,使得不少患者心理压抑。由于文化背景和审美观的差异,西方女性热衷于颧面部高突体现线条分明的面部轮廓,东方女性则崇尚颧面部柔和的面部形态.颧骨复合体的高突(即颧骨颧弓肥大)反应在软组织形态上即为颧部的高突,其主要以亚洲国家多见,尤其是我国、韩国、日本、蒙古等东亚地区,在我国又以广东省、海南省及福建省为多见。因而颧骨复合体缩小手术在日本、韩国和我国等亚洲地区成为了整形研究的重点。目前也是我们广东省颌面部整形的一项基本工作内容。从Onizuka等在1983年提出了经口内切口进行颧骨复合体磨削术至今已发展了有二十多年,颧骨缩小术根据手术入路和截骨方式的不同有多种手术方法,但在当前临床工作和相关研究中,都会面临共同的问题和难点。主要集中在三个方面：①、科学客观地判断颧骨复合体高突畸形,从而指导手术操作：②、如何在手术视野狭小,手术操作受限的情况下,合理设计颧骨复合体截骨线位置,减少手术并发症的发生；③、如何采用适宜颧骨复合体缩小术手术方法,来满足患者的个性化要求。随着CART (computer aided 3D reconstruction)技术的发展和虚拟现实技术的出现使其成为了可能。CATR技术是指使用计算机作为工具,对生物组织结构的二维连续图片进行处理,以获得三维立体图像的一种形态学方法。主要包括人体二维影像信息的获得和处理、计算机辅助建模、计算机辅助组织支架设计及制备等三个方面。虚拟现实(virtual reality, VR)是一种由计算机和电子技术相结合的一门新型学科,是一个看似真实的模拟环境,通过多种传感设备,用户可根据自身的感觉,使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件。同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知,并使参与者产生身临其境感觉的交互式仿真。虚拟现实技术现已从实验室走向实际应用,目前在军事、航天、医学、教育、商业和自动控制等领域有着广阔的应用前景,日益显示出巨大的社会和经济效益的潜力。虚拟现实在医学上的应用起源于医务人员对复杂的三维医学解剖体数据的可视化需求,进而发展到能对可视化的数据进行实时操作,从而建立可供手术和手术前规划使用的虚拟环境。20世纪80年代,Delp和Rosen建造了世界上第一个虚拟手术仿真系统,用于观察关节移植手术的效果。2006年Hallermann等将CT扫描得到的下颌骨横断面的二维图像数据输入计算机,采用图像分析软件构建下颌骨的三维模型,并在计算机上模拟截骨过程,获得了良好的效果。3D颅骨及其虚拟手术是利用CT、MRI等图像序列进行处理,构造出能显示颅骨三维几何模型,将看不见的人体器官能以三维形式“真实”,地显示出来,即可视化。它的优点是在空间具有准确的定位,可以立体地从各个角度观察和测量各解剖结构、测量各种数据,同时虚拟颧骨复合体整复的各种手术,从而使外科医师在计算机上反复进行手术规划,反复演练手术过程并优化手术方案,提高手术技能,提高手术的安全性,降低手术并发症。目前,利用现代科技(虚拟现实技术)手段,将现代影像学,计算机图像处理,外科学相结合,进行跨学科和交叉学科的研究并建立“真实”的虚拟手术已成为研究热点。如何用螺旋CT扫描的数据进行三维重建、重建出真正的可满足临床需要的、可任意旋转和进行手术的切割和分离的三维立体空间图像、并且具有力反馈的感觉、进而对其进行仿真手术。这样的过程对外科手术有深远的实际意义。为此,作者将亚毫米成像技术等数字医学技术引入到颧骨复合体缩小术中进行研究,寻求颧骨复合体高突畸形判断的数字化,颧骨复合体畸形可视化仿真手术的方法、意义及其向其他手术扩展的可能。目的：一、利用亚毫米数字成像技术等数字医学技术对活体人面部轮廓骨性结构进行三维重建,为准确判断颧骨复合体畸形提供科学的依据。二、研究数字医学技术在颧骨复合体缩小术中的应用,术前设计手术方案,确定手术方法：包括颧骨磨削法或截骨法,截骨线位置以及截骨量的确定等,防止截骨线浸入上颌窦,术后张口困难,双侧颧骨术后不对称等并发症的发生。三、通过个体化的三维数学模型的建立,结合患者的自身情况,进行术前设计,量身制定手术方案,满足患者个体化的手术要求。四、术前医生可在患者三维数学模型上反复操作,从而提高手术成功率。研究方法和研究结果一、利用亚毫米数字成像技术对活体人面部轮廓骨性结构进行三维重建研究(一)材料1 CT扫描仪：PHILIPS BRILLIANCE荷兰PHILIPS公司64排螺旋CT扫描仪,探测器组合为0.625mm×642图像后处理工作站PHILIPS Brilliance 64层螺旋CT自带Mxview工作站3 CPU:2×Xeon 2.8 GHz美国Intel公司3主板：X6DAL-XG Supermicro Computer, Inc. (USA)5内存：2×DDDR2 400 1.0 G韩国三星公司6显卡：Quadro FX 2000美国丽台(NVIDIA)公司7硬盘：金钻九代/6Y120P0 160 G迈拓(MAXTOR)公司8显示器：FP71G 17寸显示器明基(BenQ)公司9操作系统：Windows XP美国微软(Microsoft)公司10医学图像处理软件(MI-3DVS)南方医科大学数字研究中心11 FreeForm Modeling System; SensAble Technologies, Inc. (USA)(1)硬件：PHANTOM(2)软件：GHOST SDK12图像处理软件photoshop7.0美国Adobe公司(二)研究方法1.研究对象：随机选取来南方医科大学珠江医院整形外科就诊颧骨高突患者22例,均为女性,年龄19～37岁,平均为26.7岁,无外科手术史,无面部正畸等治疗史。2.利用亚毫米数字成像技术进行数据采集(1)CT扫描条件：扫描参数：管电压120KV、管电流300mAs、每旋转1周时间为0.5s、螺距(pitch) 0.984、层厚1mm。(2)CT平扫：采用0.625×64排探测器组合,以层厚1mm、间隔lmm,螺距(Pitch)0.984,球管旋转一周时间0.5s,扫描视野40-50cm,矩阵512×512。(3)CT扫描数据的采集：扫描完成后,在Mxview诊断工作站上,利用光盘刻录全部的数据。格式为DICOM3.0。3.面部轮廓骨性结构的可视化三维重建方法采用MI-3DVS医学图像处理软件,对采集到的图像进行可视化三维重建：利用上述已经采集好的面部轮廓骨性结构的CT扫描图像数据集,将符合DICOM标准的CT扫描图像序列导入MI-3DVS医学图像处理软件中,进行各种平面图像处理、数据测量,重建出的目标物体以STL格式(Standard Template Library标准模板库)导入FreeForm Modeling System(一种自由设计模型系统软件),对模型进行光滑、微细加工,最后得到得出面部轮廓骨性结构的完美、准确和逼真的三维模型。4.对颧骨复合体进行骨性三维测量和临床评价测颧骨的上面宽、中面宽、下面宽、颧突距、颧骨间距离、颧骨厚度、颧弓厚度、冠状突与颧骨间的前后、冠状突与颧弓间的距离,上面宽与中面宽的比值,客观评价颧骨复合体畸形。(三)结果：1.亚毫米数据采集结果：共采集到得到完整的DICOM格式的数据图像20×300张,格式为DICOM,转换成BMP格式,规格415x303x32b。CT扫描结果：面部轮廓重建模型清晰、逼真、立体感强。2.面部轮廓骨性结构的可视化三维重建结果MI-3DVS医学图像处理软件三维重建后的面部轮廓骨性结构,三维模型立体感强,形态逼真,基本可以再现面部轮廓骨性结构等重要解剖结构和骨性标志,并可以放大、缩小、和全方位旋转、透视进行观察,使面部轮廓骨性结构等重要结构可视化。3.有关颧骨复合体11项指标三维测量结果上面宽(108.794±0.424)mm、中面宽(134.797±3.812)mm、下面宽(99.977±3.825)mm、颧突距(69.586±2.052)mm、颧骨间距离(109.769±5.657)mm、冠状突与颧骨间的前后距离(13.527±2.521)mm、冠状突与颧弓间的距离(8.372±0.652)mm、颧骨厚度(8.958±1.528)mm、颧弓厚度(2.869±0.178)mm、上面宽与中面宽的比值(0.808±0.020)、下面宽与中面宽的比值(0.741±0.008)。(四)结论：1.基于亚毫米数字技术的信息采集,使用医学图像三维可视化系统MI-3DVS进行数字化三维重建的面部轮廓模型清晰、逼真、立体感强；2.面部轮廓骨性三维测量结果客观、立体、清晰的呈现出来,根据患者颧骨的前突和侧突情况,颧骨、颧弓的骨质厚度,颧骨、颧弓与冠状突的距离情况,以及结合患者的自身要求,提出个性化截骨方案。二、数字仿真手术在个体颧骨复合体缩小手术中的应用(一)材料1 PHILIPS BRILLIANCE荷兰PHILIPS公司64排螺旋CT扫描仪,探测器组合为0.625mm×642图像后处理工作站PHILIPS Brilliance 64层螺旋CT自带Mxview工作站3 CPU:2×Xeon 2.8 GHz美国Intel公司4主板：X6DAL-XG Supermicro Computer, Inc. (USA)5内存：2×DDR2 400 1.0 G韩国三星公司6显卡：Quadro FX 2000美国丽台(NVIDIA)公司7硬盘：金钻九代/6Y120P0 160 G迈拓(MAXTOR)公司8显示器：FP71G 17寸显示器明基(BenQ)公司9操作系统：Windows XP美国微软(Microsoft)公司10图像处理软件Photoshop7.0美国Adobe公司11 FreeForm Modeling System:SensAble Technologies, Inc. (USA)(1)硬件：PHANToM(2)软件：GHOST SDK12 MI-3DVS医学图像处理软件南方医科大学数字研究中心研发(二)研究方法1.研究对象：患者双侧颧骨对称性高突,女性,20岁,身高1.55M,体重：40KG。2.手术前采集面部轮廓的螺旋CT扫描的原始数据、面部轮廓骨性结构的三维重建的方法均和第一部分研究相同。3.开发仿真手术器械利用FreeForm Modeling System中的GHOST SDK软件开发出仿真手术需要用到的各种手术器械,如：仿真手术刀、仿真手术钳、仿真骨凿、仿真骨膜剥离子、仿真直角转、仿真磨骨器、仿真锤子、仿真钢丝、仿真持针器等。4.利用PHANTOM力反馈系统进行仿真颧骨复合体缩小手术手术前,首先对整形病人的面部轮廓股型结构三维重建模型和临床资料进行研究,设计手术方案,评估各类手术的风险,注意手术中需注意的问题,然后进行仿真手术。在面部轮廓仿真手术的过程中,我们可以通过FreeForm Modeling System中的力反馈设备PHANTOM进行切割、分离、缝合等手术操作。5.利用PHANTOM力反馈系统进行虚拟截骨设计根据面部轮廓骨性结构三维模型,再结合患者的要求及医患的审美观,在模型上设计颧骨缩小术手术方案,截骨时避免进入上颌窦和损伤下颌关节,根据三维模型测量结果,通过颧突点做上颌窦前外侧壁的切线,确定颧骨复合体截骨的解剖安全线,并测量下颌关节前端与耳屏点的连线的距离,确定颧弓截骨线的解剖安全线。(三)结果1.面部轮廓骨性结构的三维重建结果1个研究对象的图像分割数据经过自行开发的医学图像处理软件的三维重建和经过FreeForm Modeling System的光滑、微细加工后,面部轮廓骨性结构三维模型效果清晰、逼真、立体感强,可以从不同角度放大、缩小、和全方位旋转。2.仿真手术器械的效果仿真手术器械的大小、形状和真实手术器械基本相仿,形象、逼真,我们还可以通过电脑对它们进行各种操作,操作简单、轻便、灵活,有如操作真实手术器械的感觉。但仿真器械也存在一些技术上的问题,例如：面部软组织的三维重建没有解决,重要血管和神经的三维重建等。3.利用PHANTOM力反馈系统进行仿真面部轮廓手术的效果在虚拟的手术环境系统中,我们通过FreeForm Modeling System中的力反馈设备PHANTOM对三维重建后的面部轮廓骨性结构进行仿真的动态可视化切割、截骨、磨削以及缝合等手术操作,进行和真实手术过程基本一样的颧骨复合体整形仿真手术研究,沉浸感强,交互性好。整个面部轮廓整形仿真手术过程仿真度高、精确逼真、形象生动、且能有“力”的真实感受、给人一种犹如在手术台上操作真实手术的感觉。4.利用PHANTOM力反馈系统进行虚拟截骨设计效果通过在三维重建的面部轮廓骨性结构模型上,根据不同患者的自身情况,综合评价,进行截骨线的设计,确定截骨线的位子、截骨角度和截骨量,避免了术后,由于颧骨截骨线侵入上颌窦引起上颌窦炎症,下颌关节损伤引起张口困难,以及两侧截骨量不同引起面部不对称等并发症的发生,为临床手术方案提供客观、准确、科学的依据,提高了手术的安全性和有效性。(四)结论1.研究使用计算机技术(主要是计算机图形学与虚拟现实)来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程,在时间段上包括了术前、术中、术后,在实现的目上有手术计划制定,手术排练演习,手术教学,手术技能训练,术中引导手术、术后康复等。2.研究根据面部轮廓骨性结构的三维数学模型测量结果,重建出个体化病人面部轮廓骨性结构的三维数学模型,利用仿真手术平台进行手术设计,提出个体化手术方案,并对重建的个体化患者的三维数学模型进行仿真手术,结果重建后的模型解剖结构清晰可见,仿真手术结果显示颧骨高突症状改善明显。3.本研究使者术者在术前对颧骨高突的情况有充分的认识,做好手术预案,术中轻松应对,精确截骨,减少术后并发症的发生,使手术安全性增加,而手术的风险性降低。三、数字医学技术在颧骨复合体缩小术中的应用与研究(一)材料1 CT扫描仪：PHILIPS BRILLIANCE荷兰PHILIPS公司64排螺旋CT扫描仪,探测器组合为0.625mm×642图像后处理工作站PHILIPS Brilliance 64层螺旋CT自带Mxview工作站3 CPU:2 x Xeon 2.8 GHz美国Intel公司3主板：X6DAL-XG Supermicro Computer, Inc. (USA)5内存:2×DDR2 400 1.0 G韩国三星公司6显卡：Quadro FX 2000美国丽台(NVIDIA)公司7硬盘：金钻九代/6Y120P0 160 G迈拓(MAXTOR)公司8显示器：FP71G 17寸显示器明基(BenQ)公司9操作系统：Windows XP美国微软(Microsoft)公司10医学图像处理软件(MI-3DVS)南方医科大学数字研究中心11 FreeForm Modeling System; SensAble Technologies, Inc. (USA)(1)硬件：PHANTOM(2)软件：GHOST SDK12图像处理软件photoshop7.0美国Adobe公司(二)研究方法1.研究对象：随机选取来南方医科大学珠江医院整形外科就诊颧骨高突患者22例,均为女性,年龄19～37岁,平均为26.7岁,无外科手术史,无面部正畸等治疗史。2.医学图像数据的获取术前采用BRILLIANCE 64排螺旋CT荷兰PHILIPS公司行头部检查,于患者自然咬牙合位下行螺旋扫描。扫描参数：管电压120KV、管电流300mAs、每旋转1周时间为0.5s、螺距(pitch)0.984、层厚1mm数据以DICOM格式保存。3.数据处理将数据导入个人计算机,利用DICOM查看器将原始数据的格式转化为JPG格式；利用ACDSee软件调整图片大小并转换为BMP格式；导入医学图像三维可视化系统MI-3DVS进行程序分割重建,并输出为STL格式；将STL模型导入到FreeForm Modeling System进行平滑、去噪、配色等处理后组合显示。4.虚拟截骨设计根据根据面部轮廓骨性结构三维数学模型,再结合患者的要求及医患的审美观,在模型上设计颧骨复合体“L”型截骨缩小术手术方案,测量颧骨复合体截骨线位置、截骨角度以及截骨量。5.三维测量及统计学处理对术前、模拟术后上面宽(Ft-Ft)、中面宽(Zy-Zy)、下面宽(Go-Go)、颧骨宽度(Zd-Zd)、颧弓宽度(Za-Za)、颧突距(T-Mz)、颧突宽(Mz-Mz)、冠突与颧骨间的距离(Cp-Zd)、冠突与颧弓间的距离(Cp-Za)、上面宽与中面宽的比值、下面宽与中面宽的比值进行三维测量,采用SPSS 11.0统计软件将所有的数据进行分析。(三)结果：1.获得三维数学模型22例患者的CT数据均导至数字医学模拟手术工作站,并均能形成三维重建颧骨三维数学模型,MI-3DVS医学图像处理软件三维重建后的三维数学模型立体感强,形态逼真,基本可以再现颧骨复合体的重要解剖结构和骨性标志,并可以放大、缩小、和全方位旋转、透视进行观察,使颧骨复合体结构可视化用于数字化手术设计。2.颧骨缩小术的手术方法采用口内切口联合耳前切口,“L”型截骨整形的方法,主要去除部分颧骨。3.通过三维数学模型的建立,进过仿真手术数字医学技术,结合患者自身骨性结构的特点,确定截骨线的位置,截骨方法和截骨角度,避免手术并发症的发生,术前制定手术方案,提高手术的安全性和有效性。4.三维测量比较模拟术后的上面宽、中面宽、下面宽、颧骨厚度、颧弓厚度、颧突距、颧骨间距离、冠突与颧骨间的距离、冠突与颧弓间的距离较术前明显缩小,而上面宽与中面宽的比值和下面宽与中面宽的比值增大,手术前后比较,其差异有统计学意义。(四)结论：1.基于亚毫米数字技术的信息采集,使用医学图像三维可视化系统MI-3DVS进行数字化三维重建的面部轮廓骨性结构模型,清晰、逼真、立体感强；2.中面宽、颧骨宽度、颧弓宽度、颧突距、颧突宽、冠突与颧骨间的距离、冠突与颧弓间的距离均较虚拟手术前减小,上面宽与中面宽的比值和下面宽与中面宽的比值均增大,使患者的正面宽和侧面宽适度减小,上面宽、中面宽和下面宽的比例适中,可见这种截骨设计方法对于颧骨高突的改善是显著而有效的。3.根据三维测量结果提出了截骨设计方案,为医生提供了客观、准确、科学的诊断,为避免术后发生,由于截骨线侵入上颌窦外侧壁,损伤下颌关节,造成上颌窦炎症和下颌关节功能紊乱等并发症的发生,有效提高的手术安全性,良好的手术模拟和设计,并为患者提供个体化手术方案。全文结论本研究利用亚毫米数字技术对22例患者进行了信息采集,并使用医学图像三维可视化系统MI-3DVS进行数字化三维重建,得到的面部轮廓骨性结构模型,清晰、逼真、立体感强,为下一步的测量和仿真模拟手术做好准备。利用MIMICS软件对模型进行中面宽、颧骨宽度、颧弓宽度、颧突距、颧突宽、冠突与颧骨间以及冠突与颧弓间的距离进行测量,并发现在模拟仿真手术后,这些数值均较模拟手术前减小,上面宽与中面宽的比值和下面宽与中面宽的比值均增大,使患者的正面宽和侧面宽适度减小,上面宽、中面宽和下面宽的比例适中,可见这种截骨设计方法对于颧骨高突的改善是显著而有效的。在颧骨整形手术中,有发生手术截骨线侵入上颌窦外侧壁,破坏下颌关节的稳定性以及截骨量不等的情况发生,并引起上颌窦炎症和出血,下颌关节紊乱等并发症的发生。我们针对这些难点进行研究,重建出个体化病人面部轮廓骨性结构的三维数学模型,利用仿真手术平台进行手术设计,提出个体化手术方案,并对重建的个体化患者的三维数学模型进行仿真手术,结果重建后的模型解剖结构清晰可见,仿真手术结果显示颧骨高突症状改善明显,并且模拟仿真术后没有侵入下颌窦外侧壁和破坏下颌关节稳定性的发生。这就使术者在术前对颧骨高突的情况有充分的认识,做好手术预案,术中轻松应对,精确截骨,减少术后并发症的发生。总之,术前进行患者面部轮廓骨性结构的三维重建及仿真手术对于术中选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、提高定位精度、执行复杂外科手术、提高手术成功率以及满足患者的个体化要求等具有十分重要的意义。随着计算机和医学技术手段的不断进步,医用三维图像可视化重建软件及虚拟手术系统的进一步研究和开发,这一多学科交叉领域的先进技术必将在临床应用中发挥更大的作用,并成为整形外科外科医师不可缺少的辅助工具。

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摘要  3-16
ABSTRACT  16-29
前言  29-35
  参考文献  32-35
第一章利用亚毫米数字成像技术对活体人面部轮廓骨性结构进行三维重建研究  35-46
  引言  35
  1 材料  35
  2 方法  35-39
  3 结果  39-42
  4 讨论  42-44
  5. 参考文献  44-46
第二章数字仿真手术在个体颧骨复合体缩小手术中的应用  46-56
  引言  46-47
  1 材料  47
  2 方法  47-52
  3 结果  52-53
  4 讨论  53-54
  5 参考文献  54-56
第三章数字医学技术在颧骨复合体缩小手术中的应用与研究  56-67
  引言  56
  1 材料与方法  56-57
  2 结果  57-58
  3 讨论  58-65
  4 参考文献  65-67
全文总结  67-68
综述  68-77
  参考文献  74-77
中英文缩略词对照表  77-78
成果  78-79
致谢  79-81
统计学证明  81

数字医学技术在颧骨复合体缩小术中的应用与研究

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