專利名稱：數(shù)字化虛擬手與縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字化虛擬人體器官的構(gòu)建方法，尤其是涉及一種數(shù)字化 虛擬手以及在此基礎上的縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字化虛擬技術(shù)已成為生命科學與信息科學領(lǐng)域中的熱點問題。自1989 年美國國家醫(yī)學圖書館首先提出了 "可視化人體計劃(Visible Human Project, VHP)"以來，先后有韓國、日木等多個國家也提出了類似的研究計劃。數(shù)字 化虛擬人體是指將人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化，通過計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)，在電腦 屏幕上出現(xiàn)一個看似真實的模擬人體。目前，國內(nèi)外對"虛擬人"的研究處于 "虛擬可視人"階段，也可稱為"虛擬解剖人"或"虛擬幾何人"，目標是虛 擬出人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)。世界各國包括我國在內(nèi)對"虛擬人"發(fā)展的基礎框架是以 切片圖像數(shù)據(jù)集為主。關(guān)于切片數(shù)據(jù)集的構(gòu)建，從理論上講，將人體材料切削得越薄越好，因為 切片間距的精度越高，將來賦加的信息參數(shù)就越精細，能表達的信息量就越大。 尤其是對于一些體積較小、精度要求較高的部位，有更薄的切削要求。但是， 就現(xiàn)有的機械切削加工的科技水平而言，切片間距最小極限是0.2mm;而且， 切削的精度越高，圖像采集的數(shù)據(jù)存儲量越大，要配備的計算機等級就越高。 韓國于2000年報道的一例男性尸體的切片工作，其切片間距為0.2mm，數(shù)據(jù) 量已達153.7GB，在一般個人計算機上已不能運轉(zhuǎn)。如果切得再薄一些，則后 續(xù)的開發(fā)應用只能局限在少數(shù)具有海量存儲和超高速運算能力的計算機才有可 能運轉(zhuǎn)。前述白桂有等的報道中，僅采集手掌部分解剖學結(jié)構(gòu)，獲得了 1200 幅切斷層圖像數(shù)據(jù)，每個層面圖像的數(shù)據(jù)量已達31.5M。這使得科研成果難以 普及推廣應用。關(guān)于人手部解剖學結(jié)構(gòu)的三維重建及其相應的研究報道較少。國內(nèi)左煥琛于1986年首次報道將電子計算機三維用于手解剖研究(左煥琛.電子計算機三 維重建用于手解剖研究的初步探討[J].解剖學雜志，1986， 9(6):237-24.)，采用 的方法是取新鮮成人手標本，在前臂經(jīng)橈尺動脈灌注25%紅色明膠溶液，將 低溫冰凍處理的標本用電鋸作等距橫斷切割(每2-3mm)，斷面攝影，然后計 算機處理。左煥琛僅對食指的外形、掌骨基底部及腕骨進行了三維重建，而且 重建的圖像非常粗糙。張紹祥等于1989年報道了手掌部動脈的微型計算機三維 重建(張紹祥，何光篪，劉正津.手掌部動脈的微型計算機三維重建及其臨床意 義[J].第三軍醫(yī)大學學報，1989， 11(6): 409-411.)，采用的方法是取成人上 肢標本，經(jīng)肱動脈灌注含30%紅色氧化鉛的乳膠，低溫冰凍，電鋸切割，斷面 攝影，然后計算機處理。張紹祥等僅是對手掌部動脈的三維重建，重建的圖像 也欠精確逼真。白桂有等于2005年報道了手掌部分解剖學結(jié)構(gòu)可視化的初步研 究(白桂有，張正治，熊雁，等.手掌部分解剖學結(jié)構(gòu)可視化的初步研究[J].中 國臨床解剖學雜志，2005， 23(3): 227-229.)，處理的對象仍然是冰凍組織塊， 但采用了高精確度的數(shù)控銑床，將銑切的層厚設定為0.2mm，在圖像采集上采 用了 630萬像素的數(shù)碼相機，并采用國內(nèi)自行開發(fā)的三維重建軟件進行三維重 建。白桂有等僅是對手部的骨骼、指屈肌腱及手的外形進行了三維重建，在方 法上仍是沿用前人的思路，只是借助了現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，從而在組織切片 的工藝、圖像采集的技術(shù)及重建的精確性等方面都較早期研究有較大的改善。目前教科書中關(guān)于斷指定義均以橫斷面離斷為參照，對于指體以"冠狀面" 或"矢狀面"離斷關(guān)注較少。對于斷指、斷掌的分類方法有很多，但對指體沿 冠狀面、矢狀面離斷的斷指分類無明確闡述?？v形斷指是指沿"冠狀面"或"矢狀面"離斷的指體，若不吻合血管，離 斷的組織一定壞死者，將其定義為"縱形斷指"。(謝廣中，黃潮桐，李敬礦， 等.手指縱形離斷與再植方法探討[J].中國臨床解剖學雜志，2004 ， 22(4):417-419.)"縱行斷指"這一概念的提出，將此類損傷分類簡潔化、科學 化、合理化，同時也為進一步研究其損傷機制和治療提出了新的命題?？v形斷指的發(fā)生在工傷中尤為突出。在廣東省珠三角地區(qū)，工廠引進了一 種新型工業(yè)切割機，蓋機器改變了切割方法，水平面切割由上下壓板與中央電動鋸片滾軸聯(lián)動，根據(jù)切料的厚薄來切取所需材料的整片均勻厚度。由此，產(chǎn) 生了兩種縱形斷指(1)"冠狀面"縱形斷指因工人操作不當，手被帶入上、 下壓板間，機器刀片會一同將手指從平行方向切割，這樣手指就會被切割成冠 狀面?zhèn)抡?、背兩面分離。骨與關(guān)節(jié)呈縱形劈開，肌腱也是如此。但血管損 傷則有不同，由于手部的血管的分布不在同一解剖水平面的關(guān)系，有呈多平面、 不同形狀、多部位的斷裂，如呈斜形、橫形、縱形斷裂或節(jié)段性缺損等，冠狀 面損傷根據(jù)離斷平面又細分為正中型、偏背側(cè)型、偏掌側(cè)型，受傷時患者本能 的回抽上肢動作，又受重復切割及強力牽拉導致掌-指復合型等四種類型。(2) "矢狀面"縱形斷指因工人操作不當，手被帶入上、下壓板時，手指被機器 垂直刀片呈垂直方向切割，導致手指被切割成一指多切面或多指各有縱形切面 的矢狀面?zhèn)?。骨與關(guān)節(jié)、肌腱等呈縱形劈開，血管亦受累，呈多平面，不同形 狀，多部位斷裂。
由于考慮切割材料厚薄而調(diào)整刀片間隙大小，而且傷手一起帶入切割機的 角度不同，以致傷指各節(jié)平面深淺不一，各指的切入面亦有可能不在同一層面， 從而切斷時會出現(xiàn)各種各樣的骨與關(guān)節(jié)、肌腱、血管神經(jīng)的損傷，包括斜形， 縱形，多處切斷傷，故冠狀面縱形斷指的組織修復，對骨與關(guān)節(jié)、肌腱都能給 予修復、關(guān)鍵是尋找可吻合的血管，由于不在一個平面上下行，故在做血管吻 合前必須詳細了解血管斷裂缺如情況，但目前恰恰缺少該類損傷的臨床解剖學 尤其是手部血管損傷的解剖依據(jù)，因此，臨床治療方面仍然依靠經(jīng)驗操作，主觀性較大，影響手術(shù)的成功率。目前對于縱形斷指類型尚無明確的解剖學依據(jù) 可循。

發(fā)明內(nèi)容
目前業(yè)界僅僅關(guān)注指體沿橫截面離斷的解剖學結(jié)構(gòu)研究，而忽視了對縱形 斷指的解剖學研究。本發(fā)明旨在打破這一局限性，利用數(shù)字化虛擬技術(shù)構(gòu)建虛 擬手并將其應用到縱形斷指(掌)的臨床解剖研究中，提供一種數(shù)字化虛擬手與縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方法，將臨床常用的二維圖像轉(zhuǎn)化為三維圖 像，有助于進一步完善對人手結(jié)構(gòu)的認識，為臨床診斷、治療方案的制定、手術(shù)及預后等提供科學的依據(jù)。本發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手與縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方法，包括 以下步驟-A. 標本選取與預處理取商業(yè)標本庫中的成年人手標木至少3具，保留 腕關(guān)節(jié)，標本應無器質(zhì)性損害，其主要解剖學參數(shù)具有代表性；將標本近端尺、 橈動脈游離后，予5%枸櫞酸鈉生理鹽水沖洗血管，直至流出液體較清澈、標 本呈蒼白色為止；B. 標本灌注采用自凝牙托材料作為灌注材料，其中造影劑為硫化汞； 以連續(xù)緩慢的方式灌注入標本尺、橈動脈中，同時觀察手指手掌的皮膚，當能-看到填充劑的顏色時，即可停止灌注，灌注量為15~20ml，給予冷藏。C. CT掃描獲取數(shù)據(jù)集標本灌注4 24小時內(nèi)，采用四排螺旋CT機進行 掃描，掃描參數(shù)電壓120kv，電流250mAs，層厚lmm，陣距512x512;共獲 取220層數(shù)據(jù)，以CT掃描的通用文件格式保存，數(shù)據(jù)容量共計110兆比特；D. 在普通個人計算機平臺上以比利時Materalise公司開發(fā)的Mimics軟件 進行手的三維可視化重建，包括以下幾個方面a、 手外形的三維重建重建手的外形，包括手掌、手指皮膚、各手指 指甲，重建后的各結(jié)構(gòu)能單獨、聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型可透視及 多剖面顯示；b、 骨骼的三維重建重建指骨、掌骨、腕骨及尺橈骨遠端，重建后的 骨骼能單獨顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型可透視及多 剖面顯示，各骨關(guān)節(jié)外觀、毗鄰關(guān)系清楚準確；C、手的動脈三維重建重建手部主要動脈橈動脈和尺動脈，以及骨間 前動脈和骨間后動脈的分支補充，包括管徑約0.5mm的指末節(jié)血管網(wǎng)，能清晰 顯示以下重要結(jié)構(gòu)橈動脈，尺動脈，腕掌、背側(cè)動脈(弓)網(wǎng)，手掌淺、深 弓，指固有動脈，血管管腔清晰逼真；重建后的動脈能單獨顯示或與其他結(jié)構(gòu) 聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)，模型可透視及多剖面顯示，各動脈外觀、毗鄰關(guān)系清 楚準確；d、手部肌腱的三維重建重建指屈肌腱、指伸肌腱，從不同平面能顯 示肌腱的位置、排列、層次及毗鄰關(guān)系；e、手部神經(jīng)的三維重建對手部正中神經(jīng)、尺神經(jīng)、橈神經(jīng)淺支進行 神經(jīng)束的立體行徑三維重建，其發(fā)支分布、伴行毗鄰可較真實反映正常人體解 剖學特征；E.縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型的數(shù)字化虛擬構(gòu)建，包括利用Mimics軟件的Sirrmlation模塊的正交立體切割工具，選定需分割的結(jié) 構(gòu)后，包括骨骼、血管、肌腱、神經(jīng)、皮膚，對其分別沿指體側(cè)中線、指體側(cè) 中線偏背側(cè)、指體側(cè)中線偏掌側(cè)截面進行多次切割，并對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行多次布 爾運算，得到縱形斷指可視化模型，并定義各結(jié)構(gòu)參數(shù)，即3D特征。利用Mimics軟件的Simulation模塊的正交立體切割工具，選定需分割的結(jié) 構(gòu)后，包括骨骼、血管、肌腱、神經(jīng)、皮膚，對其分別沿指體側(cè)中線、指體側(cè) 中線偏背側(cè)、指體側(cè)中線偏掌側(cè)、指體掌側(cè)中線或背側(cè)中線截面進行多次切割， 并對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行多次布爾運算，得到縱形斷指可視化的模型，并定義各結(jié)構(gòu) 參數(shù)，即3D特征。根據(jù)本發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手解剖學結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，所述的步驟A中， 標本在預處理前先經(jīng)CT掃描。經(jīng)過CT掃描，可預先證實是否存在骨折、腫 瘤、先天畸形及結(jié)構(gòu)缺如等情況，選取具有正常人體應具有的解剖學結(jié)構(gòu)的標 本來進行三維重建。根據(jù)本發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手解剖學結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，所述的步驟B中 的灌注材料優(yōu)選的成分包括自凝牙托粉30~35g，自凝牙托水65~70g，鄰苯 二甲酸二丁酯30ml，中國銀朱10~15g;所述灌注材料的配制方法為在常溫 下將自凝牙托水，鄰苯二甲酸二丁酯及中國銀朱混合，再加入自凝牙托粉，充 分攪拌混合均勻后即刻灌注。本發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手解剖學結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，具有以下的特點和優(yōu)點 (1)首次對手的解剖學結(jié)構(gòu)進行了全面的數(shù)字化三維重建，將臨床常用的 二維圖像轉(zhuǎn)化為三維圖像，可以針對臨床?？频男枨螅呀Y(jié)構(gòu)復雜、功能意義 重大、診治要求精確的部位，構(gòu)建數(shù)字化模型，為臨床診斷、治療方案的制定、 手術(shù)相關(guān)操作等提供科學的依據(jù)。以往教科書中關(guān)于斷指定義均以橫斷面離斷為參照，對于指體以"冠狀面"或"矢狀面"離斷關(guān)注較少。本發(fā)明首次對這 一特殊類型的縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)進行了數(shù)字化虛擬重建，滿足了臨床?？频?實際需求，所構(gòu)建的數(shù)字化模型為臨床診斷、治療方案的制定、手術(shù)相關(guān)操作 以及預后等提供了科學的依據(jù)。(2) 縱形斷指由于其離斷平面的因素決定了損傷的解剖學結(jié)構(gòu)的復雜性， 如果仍沿用現(xiàn)有的切片圖像數(shù)據(jù)集方法來進行三維重建，需要有特制用于刨開 縱形切面銑切專用設備，如果需要得到多層剖面，則必須取用多只標本才能完 成上述系列剖面，這樣的三維重建后續(xù)的開發(fā)應用只能局限在少數(shù)具有海量存 儲和超高速運算能力的計算機才有可能運轉(zhuǎn)。而本發(fā)明所述的構(gòu)建方法，可對 重建好的數(shù)字化虛擬手進行多次重復切割，直至與臨床損傷情況相吻合，從而 虛擬出縱形斷指的復雜解剖學結(jié)構(gòu)。標本信息可重復利用，可在同一標本進行 不同損傷類型的研究，傷情擬合較逼真。因而，木發(fā)明所述的構(gòu)建方法可推廣 到臨床各領(lǐng)域，適合各基層臨床工作者使用。(3) 目前臨床上病例圖像數(shù)據(jù)仍以CT/MRI為主，而可視化人體研究以切 片圖像數(shù)據(jù)集為主，由于受到切割設備、方法等條件的限制，嚴重制約了其臨 床推廣應用。本發(fā)明采用灌注造影劑后通過CT掃描技術(shù)采集圖像，并應用 Mimics軟件進行圖像配準、分割、標識、重建，可得到精確逼真的重建圖像， 此方法在臨床上具有可操作性。CT/MRI三維重建方法本質(zhì)上是圖像渲染技術(shù)， 完全依賴于工作站，不能導出通用格式三維文件，因而制約了應用范圍。本發(fā) 明不再停留于解剖結(jié)構(gòu)的重建，更重要的是解決如何應用重建后的結(jié)構(gòu)解決臨 床實際問題。Mimics軟件可以在PC機上進行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，對二維 圖像進行編輯，并可將工程文件以不同形式的格式導出，利于后期臨床與研究。 其Simulation (模擬)模塊的Cut (切割工具)，Boolean (布爾運算)等工具對三維圖像進行任意切割，加減等運算，從而得到不同曲面的三維圖像，這些特 點具有極大的基礎與臨床研究價值。(4) 本發(fā)明采用的Mimics軟件(目前版本是10.01版)是基于臨床醫(yī)學 影像學的逆向工程軟件和計算機輔助設計軟件，具有良好的圖像編輯功能。其 重建的結(jié)構(gòu)具有各結(jié)構(gòu)可單獨、聯(lián)合顯示，可任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型透視及多剖面顯示等特點。手掌及手指皮紋清晰逼真、各結(jié)構(gòu)可透視顯示通過上述標志特點可確定手部有關(guān)解間結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系和某些深部重要結(jié)構(gòu)的體表投影，此 方法較傳統(tǒng)實地解剖方法簡便直觀。可以從不同平面顯示肌腱的位置、排列、 層次及毗鄰關(guān)系。可對如橈骨尺偏角、掌傾角、腕骨角、尺骨莖突長度等骨性 結(jié)構(gòu)及角度進行測量。該軟件具有可沿曲線切割的功能，具有正交立體切割技 術(shù)，可得到曲面圖像，能夠逼真再現(xiàn)傷情，便于本發(fā)明所述的縱形斷指的解剖 學結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，而現(xiàn)有的其他軟件尚無此功能。(5) 細小血管的標識及三維重建是數(shù)字化技術(shù)中的一個難題，VCH F-l(數(shù) 字化虛擬中國人女性-1號)中標識的血管最小內(nèi)徑為0.77mm (秦篤烈，羅述 謙，鐘世鎮(zhèn)，等.數(shù)字化虛擬中國人女性-l(VCHF-l)實驗數(shù)據(jù)集血管標識的突 破進展[J].科學中國人，2003,(4): 4-8.)。而本發(fā)明采用中國銀朱作為染色及遮 光劑，其顆粒直徑約為40pm，能到達較微細的血管內(nèi)，灌注掃描后可顯示直 徑為0.52mm的血管，可清晰顯示重建后指末節(jié)血管，手部主要動脈管腔可中 空顯示，中空效果可使圖像更為逼真，顯示更為精確。(6) 在數(shù)字化虛擬人體的研究中，血管灌注是尚未解決的問題之一。如前 所述，左煥琛采用紅色明膠溶液作為血管灌注材料，張紹祥采用紅色乳膠作為 血管灌注材料，這些都是目前血管灌注的常用方法。但本發(fā)明對灌注材料進行 了改良，優(yōu)選采用自凝牙托材料作為血管灌注材料，在成分上延長了聚合反應 成型的時間，配制后在30分鐘內(nèi)仍具有較好的流動性，可以從容地灌注手部肢 體；經(jīng)灌注后的標本，細微血管清晰可見，中等血管有一定的剛性支撐力，便 于解剖深層結(jié)構(gòu)。(7) 如前所述，后前國內(nèi)外研究均是針對冰凍組織進行研究，而本發(fā)明則 強調(diào)對標本灌注后不予冰凍，最好于4-24小時內(nèi)完成掃描，由此達到極好的血 管中空顯示效果，圖像更為逼真，顯示更為精確。血管中空顯示效果與血管灌 注的流體力學所產(chǎn)生的軸流及邊流及懸液沉著附壁相關(guān)，對于部分中空顯示欠 佳的部位，則可采用Mimics軟件的Segmentation (分割)模塊手動調(diào)整灰度進 行圖像分割標識(Edit mask/Multiple Slice Edit,遮掩層編輯/多層編輯)后期處 理亦可解決?，F(xiàn)有研究中，尚無對血管中空顯示效果的研究報道。而本發(fā)明所 實現(xiàn)的手部主要動脈管腔的中空顯示，在不同切面下可反映出血管切割缺如特 征，為臨床預構(gòu)手術(shù)程序、手術(shù)過程中血管取舍，吻合的先后次序的提供依據(jù)。(8) 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方案，即在所述的步驟A中，標本在預處理前先 經(jīng)CT掃描。經(jīng)過CT掃描，可預先證實是否存在骨折、腫瘤、先天畸形及結(jié) 構(gòu)缺如等情況，選取具有正常人體應具有的解剖學結(jié)構(gòu)的標本來進行三維重建。 以往對標本的選取僅通過肉眼觀察是否有器質(zhì)病變，因而不能準確地了解標本 內(nèi)部情況。而本發(fā)明采用CT預掃，則可以進清楚地對標本進行評估。(9) 以往研究中處理醫(yī)學圖像的軟件往往依賴于較大型的工作站或計算 機，而本發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手解剖學結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，在PC機平臺上即 可完成大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理；而且，三維重建圖像的效果也達到了大型計算機 處理的效果。已有報道的軟件重建的圖形逼真顯示欠佳、圖形放大后出現(xiàn)多面 體網(wǎng)格形狀，甚至失真。而本發(fā)明采用Mimics軟件通過對提取的數(shù)據(jù)點進行 腐蝕、膨脹、開運算和閉運算，最大限度降低噪聲，重建后的圖形精確，顯示 逼真，重要結(jié)構(gòu)精準再現(xiàn)，細節(jié)也較突出。因此，可以讓數(shù)量更多的醫(yī)院和院 校都有可能開發(fā)應用，使科研成果具有普及推廣應用的可能性，真正造福于廣 大人民群眾。(10) 手外傷是臨床上常見的疾病，本發(fā)明對于虛擬縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu) 的構(gòu)建，有助于進一步完善對手部結(jié)構(gòu)的認識，為臨床診斷、治療方案的制定、 手術(shù)相關(guān)操作及疾病基礎研究等提供科學的依據(jù)?？梢越鉀Q手外傷治療前預構(gòu) 手術(shù)程序、手術(shù)過程中血管取舍，吻合的先后次序及骨骼、神經(jīng)、肌腱修復及 功能重建等諸多問題，可實現(xiàn)對未來事件進行實驗以及對現(xiàn)存病例進行反演試 驗研究。如上所述，縱形斷指損傷組織結(jié)構(gòu)復雜，離斷的形態(tài)多變，其修復應按一定 解剖層次原則依次進行。本發(fā)明提出了構(gòu)建數(shù)字化虛擬手與縱形斷指解剖學結(jié) 構(gòu)的方法，可明確手部損傷與縱行斷指等的臨床應用解剖依據(jù)，建立一套完整 的科學的手部損傷與縱行斷指臨床應用解剖學基礎理論，能夠指導臨床實踐， 有利于治療方案的制定及治療效率的提高，并具有較強的可操作性前瞻性研究。 同時也可將此研究推廣到其他專科解決相關(guān)問題，這決定了虛擬手在臨床醫(yī)學 方面有廣闊的應用前景。


圖1為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的外形圖，顯示手的背面；圖2為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的外形圖，顯示手的掌面；圖3為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的掌面視圖，從手的掌面顯 示骨骼、血管和肌腱聯(lián)合顯示的效果；圖4為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的背面視圖，從手的背面顯 示骨骼、血管和肌腱聯(lián)合顯示的效果；圖5為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的視圖，從手的背面顯示所 構(gòu)建的骨骼與血管聯(lián)合顯示的效果；圖6為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的視圖，從手的掌面顯示所 構(gòu)建的骨骼與血管聯(lián)合顯示的效果；圖7為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的視圖，從手的掌面顯示所 構(gòu)建的深淺屈肌腱與骨骼聯(lián)合顯示的效果；圖8為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的視圖，從手的掌面顯示所 構(gòu)建的指深屈肌腱與骨骼聯(lián)合顯示的效果；圖9為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的視圖，從手的背面顯示所 構(gòu)建的神經(jīng)與骨骼聯(lián)合顯示的效果；圖10為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的視圖，從手的掌面顯示 所構(gòu)建的神經(jīng)與骨骼聯(lián)合顯示的效果；圖lla為冠狀面縱形斷指(正中型)血管、神經(jīng)、肌腱、骨骼損傷情況局 部放大顯示效果；圖llb為冠狀面縱形斷指(偏背側(cè)型)血管、神經(jīng)、肌腱、骨骼損傷情況局部放大顯示效果；圖llc為冠狀面縱形斷指(偏掌側(cè)型)血管、神經(jīng)、肌腱、骨骼損傷情況局部放大顯示效果；圖12a為冠狀面縱形斷指(正中型)損傷剖面圖，顯示背側(cè)面； 圖12b為冠狀面縱形斷指(正中型)損傷剖面圖，顯示掌側(cè)面； 圖13a為冠狀面縱形斷指(偏背側(cè)型)損傷剖面圖，顯示背側(cè)面； 圖13b為冠狀面縱形斷指(偏背側(cè)型)損傷剖面圖，顯示掌側(cè)面；圖14a為冠狀面縱形斷指(偏掌側(cè)型)損傷剖面圖，顯示背側(cè)面； 圖14b為冠狀面縱形斷指(偏掌側(cè)型)損傷剖面圖，顯示掌側(cè)面； 圖15a為矢狀面縱形斷指(單指多面型)損傷剖面圖，顯示背側(cè)面； 圖15b為矢狀面縱形斷指(單指多面型)損傷剖面圖，顯示掌側(cè)面； 圖16a為矢狀面縱形斷指(多指多面型)損傷剖面圖，顯示背側(cè)面； 圖16b為矢狀面縱形斷指(多指多面型)損傷剖面圖，顯示掌側(cè)面。
具體實施方式
1材料與方法1.1標本選取與預處理取取商業(yè)標木庫(例如南方醫(yī)科大學臨床解剖學研究所的人體標木庫)中的成年人手標本3具(保留腕關(guān)節(jié))，標木應無器質(zhì)性損害(處理前CT掃描)， 其主要解剖學參數(shù)具有代表性。將標本近端尺、橈動脈游離后，予5%枸櫞酸 鈉生理鹽水沖洗血管，直至流出液體較清澈、標本呈蒼白色為止。1.2標本灌注1.2.1灌注材料本實驗采用自凝牙托材料進行制作，造影劑為硫化汞。其配方為自凝牙托粉30 35g，自凝牙托水65~70g，鄰苯二甲酸二丁酯30ml，中國銀朱(含硫化 汞成份)10 15g，以上材料均可在市面上購得。 1.2.2灌注方法在常溫下將自凝牙托水，鄰苯二甲酸二丁酯及中國銀朱混合，再加入自凝 牙托粉，充分攪拌混合均勻后即刻灌注。采用20ml醫(yī)用一次性塑料注射器灌 注，連續(xù)緩慢的方式注入標本尺、橈動脈中，同時觀察手指手掌的皮膚，當能 看到填充劑的顏色時，即可停止灌注，灌注量約為15~20ml。1.3 CT掃描獲取數(shù)據(jù)集優(yōu)選在標本灌注冷藏4~24小時'內(nèi)進行CT掃描。采用TOSHIBA Aquilion (東芝)螺旋CT掃描，掃描參數(shù)電壓120kv (千伏)，電流250mAs (毫安 秒)，層厚lmm，陣距512x512;共獲取220層數(shù)據(jù)，將其以.dicom (CT掃描后保存的通用文件格式)格式保存，每個文件大小為514Kbyte (千比特)，整 理數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)容量共計110Mbyte (兆比特)。1.4數(shù)字化虛擬手的重建1.4.1工作平臺C2D2.53G處理器，2GDDR內(nèi)存，9300GE顯卡，160G硬盤；MimicslO.Ol 軟件(Materalise公司，比利時)。 1.4.2重建步驟 1.4.2.1導入文件以自動導入的形式將獲取的CT數(shù)據(jù)集導入Mimics(Materiaise's interactive medical image control system,交互式的醫(yī)學影像控制系統(tǒng))10.01版軟件，設 定參數(shù)Skip lmages=0 (計數(shù)圖像)，Compression=CT (壓縮方式)，Slice distance=1.0mm (層厚)，Pixel size=0.2490mm (像素值),確定圖像位置(A, P， T， B， L， R)(方《立表達Anterior前，Posterior后，Top上，Bottom下/底， Left左，Right右)。1.4.2.2提取灰度值應用Segmentation (分割)模塊的Thresholding (閾值)工具提取指定灰度 范圍的數(shù)據(jù)點集構(gòu)成一個Mask,提取手骨骼、血管Mask (遮掩)層(參數(shù) Name=Green ， Lower threshold(Hu)(最低閾值，Hu為CT值的縮寫，中文名為 豪斯菲爾德)=329， Higher threshold(Hu)=2305 (最高閾值))。1.4.2.3分割與標識運用Edit Masks (遮掩層編輯)，Multiple Slice Edit (多層編輯)工具逐層 進行編輯，分割骨骼與血管，使兩者數(shù)據(jù)點無交集。利用Region Growing (區(qū) 域生成工具)及Dynamic Region Growing (選定區(qū)域生成工具)工具為骨骼建 立新的 Mask 層 (Name-bone ， Lower threshold(Hu)=329 ， Higher threshold(Hu)=2305)，應用Boolean Operations (布爾運算)工具對上述兩個 Mask層進行一次運算(Green-bone)，得到新的Mask(Name=vessel)。再次運用 Edit Masks (遮掩層編輯)，Multiple Slice Edit (多層編輯)工具對部分尚不能 中空顯示的血管進行處理。依同樣方法建立手皮膚、指甲、肌腱的Mask層。1.4.2.4重建仿真應用Calculate 3D (三維生成)工具對已提取的各Mask層進行三維重建轉(zhuǎn) 化，可單獨轉(zhuǎn)化也可批量轉(zhuǎn)化。參數(shù)設置Quality (品質(zhì))=High (高)，Interpolation method=Contour (方法=輪廓線)，Prefer=Continuity (特征=連續(xù)性)，Largest shells=l， Smoothing(Iterations=2， Smooth factor=0.5)(平滑工具(迭代指數(shù) =2， 平滑指數(shù)=0.5))， Triangle reduction(Reducing mode=Advanced edge, Tolerance=0.05， Edge angle= 10.0)(三角網(wǎng)格簡化(簡化模式=高級加邊，耐受 值=0.05，邊角=10.0))。對生成的三維圖像依解剖學標識方法進行渲染。對于 神經(jīng)的重建，可以依據(jù)正常人體解剖學知識及CT圖像上灰度值的細微差別進 行手工分割標識，應用Measure Distance (測量距離)工具測量其直徑，并利 用Tools模塊中的Draw/Manipulate Nerve (神經(jīng)繪制)工具處理，設置參數(shù) Color=Yellow， Diameter=0.5~7.0mm (顏色=黃，直徑=0.5~7.0毫米)。1.4.2.5平滑處理為使重建后的三維結(jié)構(gòu)更為逼真精確，利用Simulation (模擬)模塊的 Smoothing (平滑)工具(Iteration=12， Smooth factor=l)(平滑工具(迭代指 數(shù)=12，平滑指數(shù)=1))對重建的三維模型進行平滑處理。1.4.2.6文件保存將生成的文件保存為Mimics軟件工程格式.mcs，亦可將工程以.iges及.stl 等3D通用格式文件導出以備后續(xù)研究使用。(.mcs， .iges， .stl為三維文件保存 格式)1.5縱形斷指(掌)模型的構(gòu)建利用Simulation模塊的Cut Orthogonal to Screen(正交立體切割工具)，選定 需分割的結(jié)構(gòu)后(骨骼、血管、肌腱、神經(jīng)、皮膚)，對其分別沿指體側(cè)中線、 指體側(cè)中線偏背側(cè)、指體側(cè)中線偏掌側(cè)、指體掌(背)側(cè)中線截面進行多次切 割，并對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行多次Boolean Operations (布爾運算)得到縱形斷指可視 化模型，并定義各結(jié)構(gòu)參數(shù)(3D Properties)。2結(jié)果2.1可視化手模型本發(fā)明建立了基于解剖學結(jié)構(gòu)的可視化手模型并精確顯示其主要解剖學結(jié) 構(gòu)，各結(jié)構(gòu)可單獨、聯(lián)合顯示，可任意旋轉(zhuǎn)縮放，模型透視及多剖面顯示，血管管腔顯示中空逼真。手部神經(jīng)的立體行徑三維重建，其發(fā)支分布、伴行毗鄰 可較真實反映正常人體解剖學特征。 該可視化手模型包括a、 手外形的三維重建重建手的外形，包括手掌、手指皮膚、各手指指甲， 重建后的各結(jié)構(gòu)能單獨、聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型可透視及多剖面 顯示；手掌、指皮膚，各指指甲顯示逼真，手掌及手指皮紋清晰可辨；見圖1 和圖2;b、 骨骼的三維重建重建指骨、掌骨、腕骨及尺橈骨遠端，重建后的骨骼 能單獨顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型可透視及多剖面 顯示，各骨關(guān)節(jié)外觀、毗鄰關(guān)系清楚準確；可對如橈骨尺偏角、掌傾角、腕骨 角、尺骨莖突長度等骨性結(jié)構(gòu)及角度進行測量；見圖3至圖8;C、手的動脈三維重建重建手部主要動脈橈動脈和尺動脈，以及骨間前動脈和骨間后動脈的分支補充，包括管徑約0.5mm的指末節(jié)血管網(wǎng)，能清晰顯示 以下重要結(jié)構(gòu)橈動脈，尺動脈，腕掌、背側(cè)動脈(弓)網(wǎng)，手掌淺、深弓， 指固有動脈，血管管腔清晰逼真；重建后的動脈能單獨顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)，模型可透視及多剖面顯示，各動脈外觀、毗鄰關(guān)系清楚準確；見圖3至圖8;d、 手部肌腱的三維重建重建指屈肌腱、指伸肌腱，從不同平面能顯示肌 腱的位置、排列、層次及毗鄰關(guān)系；見圖3至圖8;e、 手部神經(jīng)的三維重建對手部正中神經(jīng)、尺神經(jīng)、橈神經(jīng)淺支進行神經(jīng)束的立體行徑三維重建，其發(fā)支分布、伴行毗鄰可較真實反映正常人體解剖學特征。見圖9至圖10。2.2數(shù)字化虛擬縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型骨骼、動脈、神經(jīng)、肌腱等結(jié)構(gòu)截面呈現(xiàn)縱向斜形切割缺如，動脈管腔截面呈短斜形、長斜形、類圓形，切割截面與傷指實際情況基本相符(見圖lla-圖llc)。本發(fā)明所構(gòu)建的數(shù)字化虛擬縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型包括以下類型2.2.1冠狀面縱形斷指正中型(沿指體側(cè)中線切割):指骨呈縱形對半骨折；指間關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)呈縱形對半損傷；伸、屈肌腱連續(xù)性存在；指固有動脈、神經(jīng)因相對側(cè)中線而言偏向于掌側(cè)而未受累及，同樣指背動脈亦不在側(cè)中線的 走向上亦免受波及，但掌、背側(cè)動脈之間的交通支呈橫形、斜形斷裂(圖12a、 圖12b)。2.2.2冠狀面縱形斷指偏背側(cè)型(沿指體側(cè)中線偏背側(cè)切割)指骨背側(cè)呈 縱向長斜形骨折，指間關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)的背側(cè)結(jié)構(gòu)損傷；伸肌腱斷裂、伸肌腱 附著點有斷裂可能，屈肌腱連續(xù)性存在；指固有動脈未累及，而指背動脈及掌、 背側(cè)動脈之間的交通支呈橫形、斜形斷裂或縱形斷裂(圖13a、圖13b)。2.2.3冠狀面縱形斷指偏掌側(cè)型(沿指體側(cè)中線偏掌側(cè)切割)指骨掌側(cè)呈 縱向長斜形骨折，指間關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)的掌側(cè)結(jié)構(gòu)損傷；屈肌腱有淺屈肌腱斷 裂，深淺屈肌腱同時斷裂，深屈肌腱斷裂，深淺屈肌腱缺損等。斷面有斜形斷 裂，或斷裂時從淺層面切去一半等情況。深淺屈肌腱附著點有斷裂可能，伸肌 腱連續(xù)性存在；指固有血管呈單側(cè)和雙側(cè)多形狀、多段的損傷均同時存在，呈 斜形、橫形或縱形斷裂或節(jié)段性缺損，伴行祌經(jīng)亦呈類似情況(圖14a、圖14b)。2.2.4矢狀面縱形斷指指骨呈縱向長斜形骨折或縱形對半骨折，指間關(guān)節(jié)、 掌指關(guān)節(jié)損傷，可呈縱形對半損傷。伸屈肌腱亦呈類似情況，多有同時受累。 掌、背側(cè)動脈之間的交通支呈橫形、斜形、縱形斷裂或節(jié)段性缺損，亦可累及 指固有動脈及神經(jīng)。(圖15a、圖15b以及圖16a、圖16b)
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字化虛擬手與縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟A.標本選取與預處理取商業(yè)標本庫中的成年人手標本至少3具，保留腕關(guān)節(jié)，標本應無器質(zhì)性損害，其主要解剖學參數(shù)具有代表性；將標本近端尺、橈動脈游離后，予5％枸櫞酸鈉生理鹽水沖洗血管，直至流出液體較清澈、標本呈蒼白色為止；B.標本灌注采用自凝牙托材料作為灌注材料，其中造影劑為硫化汞；以連續(xù)緩慢的方式灌注入標本尺、橈動脈中，同時觀察手指手掌的皮膚，當能看到填充劑的顏色時，即可停止灌注，灌注量為15～20ml，給予冷藏。C.CT掃描獲取數(shù)據(jù)集標本灌注4～24小時內(nèi)，采用四排螺旋CT機進行掃描，掃描參數(shù)電壓120kv，電流250mAs，層厚1mm，陣距512×512；共獲取220層數(shù)據(jù)，以CT掃描的通用文件格式保存，數(shù)據(jù)容量共計110兆比特；D.在普通個人計算機平臺上以比利時Materalise公司開發(fā)的Mimics軟件進行手的三維可視化重建，包括以下幾個方面a、手外形的三維重建重建手的外形，包括手掌、手指皮膚、各手指指甲，重建后的各結(jié)構(gòu)能單獨、聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型可透視及多剖面顯示；b、骨骼的三維重建重建指骨、掌骨、腕骨及尺橈骨遠端，重建后的骨骼能單獨顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型可透視及多剖面顯示，各骨關(guān)節(jié)外觀、毗鄰關(guān)系清楚準確；c、手的動脈三維重建重建手部主要動脈橈動脈和尺動脈，以及骨間前動脈和骨間后動脈的分支補充，包括管徑約0.5mm的指末節(jié)血管網(wǎng)，能清晰顯示以下重要結(jié)構(gòu)橈動脈，尺動脈，腕掌、背側(cè)動脈(弓)網(wǎng)，手掌淺、深弓，指固有動脈，血管管腔清晰逼真；重建后的動脈能單獨顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)，模型可透視及多剖面顯示，各動脈外觀、毗鄰關(guān)系清楚準確；d、手部肌腱的三維重建重建指屈肌腱、指伸肌腱，從不同平面能顯示肌腱的位置、排列、層次及毗鄰關(guān)系；e、手部神經(jīng)的三維重建對手部正中神經(jīng)、尺神經(jīng)、橈神經(jīng)淺支進行神經(jīng)束的立體行徑三維重建，其發(fā)支分布、伴行毗鄰可較真實反映正常人體解剖學特征；E.縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型的數(shù)字化虛擬構(gòu)建，包括利用Mimics軟件的Simulation模塊的正交立體切割工具，選定需分割的結(jié)構(gòu)后，包括骨骼、血管、肌腱、神經(jīng)、皮膚，對其分別沿指體側(cè)中線、指體側(cè)中線偏背側(cè)、指體側(cè)中線偏掌側(cè)截面進行多次切割，并對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行多次布爾運算，得到縱形斷指可視化模型，并定義各結(jié)構(gòu)參數(shù)，即3D特征。利用Mimics軟件的Simulation模塊的正交立體切割工具，選定需分割的結(jié)構(gòu)后，包括骨骼、血管、肌腱、神經(jīng)、皮膚，對其分別沿指體側(cè)中線、指體側(cè)中線偏背側(cè)、指體側(cè)中線偏掌側(cè)、指體掌側(cè)中線或背側(cè)中線截面進行多次切割，并對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行多次布爾運算，得到縱形斷指可視化的模型，并定義各結(jié)構(gòu)參數(shù)，即3D特征。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述的步驟A中，標 本在預處理前先經(jīng)CT掃描。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述的步驟B中的灌 注材料的成分包括自凝牙托粉30~35g，自凝牙托水65~70g，鄰苯二甲酸二 丁酯30ml，中國銀朱10~15g;所述灌注材料的配制方法為在常溫下將自凝 牙托水，鄰苯二甲酸二丁酯及中國銀朱混合，再加入自凝牙托粉，充分攪拌混 合均勻后即刻灌注。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字化虛擬手與縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方法。該構(gòu)建方法包括以下步驟A.標本選取與預處理；B.標本灌注；C.CT掃描獲取數(shù)據(jù)集；D.在普通個人計算機平臺上以比利時Materalise公司開發(fā)的Mimics軟件進行手的三維可視化重建；E.縱形斷指模型的數(shù)字化虛擬構(gòu)建。本發(fā)明利用數(shù)字化虛擬技術(shù)構(gòu)建虛擬手并將其應用到縱形斷指(掌)的臨床解剖研究中，提供一種數(shù)字化虛擬手與縱形斷指解剖學結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方法，將臨床常用的二維圖像轉(zhuǎn)化為三維圖像，有助于進一步完善對人手結(jié)構(gòu)的認識，為臨床診斷、治療方案的制定、手術(shù)及預后等提供科學的依據(jù)。
文檔編號G06T19/00GK101401728SQ20081021862
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者葉耀華, 張美超, 方敏鳴, 方耀高, 朱家愷, 李忠華, 李敬礦, 秦金橋, 譚建文, 陳冬生, 陳隆福, 黃潮桐 申請人:東莞市厚街醫(yī)院