張　輝　魯開化等

(第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院整形外科西安710032)

[中圖分類號]R622[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1008-6455(2000)05-0386-03

計算機(jī)圖像處理技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛,近20年來已成為整形外科領(lǐng)域研究應(yīng)用的方向之一。本文將國內(nèi)外近年來有關(guān)計算機(jī)圖像處理技術(shù)在整形外科面積測量與結(jié)構(gòu)分析、手術(shù)設(shè)計與模擬、術(shù)中導(dǎo)航、輔助預(yù)制假體、軟組織生物力學(xué)分析、計算機(jī)整形專家系統(tǒng)等領(lǐng)域的具體應(yīng)用進(jìn)行了綜述,并提出了需解決的問題及今后主要的發(fā)展方向。

1具體應(yīng)用領(lǐng)域

1.1面積測量與結(jié)構(gòu)分析1983年,Hilger等^[1]首次將計算機(jī)圖像技術(shù)用于鼻成形術(shù)形態(tài)測量和結(jié)構(gòu)分析。1987年,美國試制成功第一臺由計算機(jī)與錄像設(shè)備組成的整容檢測儀并投入應(yīng)用。1988年至1992年,Papel等^[2～4]都先后采用計算機(jī)技術(shù)對人體,特別是面部形態(tài)進(jìn)行了測量與分析。國內(nèi)1990年王大章等^[5,6]開始在口腔整形方面應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行測量分析、輔助診斷、療效預(yù)測等研究。1995年,王積恩等^[7]對鼻形態(tài)12個項目進(jìn)行了計算機(jī)測量分析,胡志奇等^[8]報告了120例隆鼻術(shù)前后做形態(tài)測量與統(tǒng)計分析的結(jié)果。同年,王大為等^[9]用記錄像素點(diǎn)個數(shù)測量面積的方法,精確測算了外擴(kuò)張所得的二維平面"額外"皮膚面積,1999年,胡華新等^[10]則將三維皮膚表面用紙基乳膠膜取模后轉(zhuǎn)化成二維平面,采用類似的測量方法對三維空間的擴(kuò)張皮膚面積進(jìn)行了測量,最大誤差小于3%。1997年,Namnoum等^[11]曾用計算機(jī)重建了人類胎兒人中部位的肌纖維與皮膚組織的三維結(jié)構(gòu),幫助人們正確認(rèn)識了該部位的解剖結(jié)構(gòu)及人中特殊形態(tài)形成的機(jī)理。ヒ窖圖像能直觀準(zhǔn)確地提供診斷信息,作為手術(shù)的重要依據(jù)和指導(dǎo),這對以改善外觀形態(tài)為主要目的的整形外科尤為重要。用計算機(jī)進(jìn)行形態(tài)測量與分析,較傳統(tǒng)的手工測繪與肉眼觀察,除簡便、迅速、可滿足大樣本多參數(shù)測量外,還可精確測算細(xì)微差別或不規(guī)則面積,并可結(jié)合黃金分割等進(jìn)行美學(xué)分析。

1.2手術(shù)設(shè)計與模擬

1.2.1CAS、CAPS和Simulation Surgery的概念CAS是Computer-Aided Surgery的縮寫,即計算機(jī)輔助外科,指一種全新的模擬仿真及術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng),對于面部整形手術(shù)而言有計算機(jī)化的手術(shù)設(shè)計與模擬系統(tǒng)(Computerized Surgerical Planning and Simulation Surgery System),該系統(tǒng)用于術(shù)前設(shè)計、術(shù)中導(dǎo)航、假體的輔助設(shè)計與移植模擬,目前已有商品化的產(chǎn)品問世^[12]。應(yīng)用CAS系統(tǒng)需要以下條件:①手術(shù)小組;②成像設(shè)備;③精確的定位裝置;④交互圖形工作站;⑤三維可視化軟件。一般步驟是:①圖像采樣;②空間三維位置測量;③體數(shù)據(jù)的抽取與處理;④三維顯示及交互處理等^[13]。1995年,Pieper等^[14]又提出了CAPS(Computer-Aided Plastic Surgery)即計算機(jī)輔助整形外科的概念,并報道了他們初步開展CAPS的情況。ト氈鏡腇ujino等^[15]最早提出和補(bǔ)充了Simulation Surgery,即模擬外科的概念,并將其分為經(jīng)驗?zāi)M外科(即術(shù)者憑經(jīng)驗在頭腦中模擬手術(shù)的過程)和計算機(jī)模擬外科兩類。對于后者,術(shù)前即可在顯示器上或按測量數(shù)據(jù)制作的實(shí)體模型上觀察到感興趣區(qū)域的三維解剖結(jié)構(gòu),并模擬可能的外科操作。以下按顯示方式分類介紹其應(yīng)用情況。

1.2.2在計算機(jī)上進(jìn)行手術(shù)設(shè)計與模擬1992年,Theodore等在計算機(jī)屏幕上對面部皮瓣進(jìn)行簡單設(shè)計與模擬,計算機(jī)被用作一張繪圖紙。1993年,唐勝建等^[16]采用計算機(jī)成像技術(shù)輔助面部手術(shù)設(shè)計與效果預(yù)測,臨床驗證312例,取得初步效果。1997年,王大為等^[17]報告了應(yīng)用自行研制的軟件,對隆鼻術(shù)患者術(shù)前圖像測量分析后通過灰度外推、坐標(biāo)內(nèi)插等方法,模擬術(shù)后效果。1995年,Pieper等^[14]報告了結(jié)合有限元數(shù)學(xué)模型的計算機(jī)輔助面部手術(shù)模擬系統(tǒng),可對顏面部的直線形傷口和菱形-W形皮膚成形術(shù)在計算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計與模擬,并預(yù)測術(shù)后效果。1993年,Altobelli等^[18]進(jìn)行了顱面整形手術(shù)的計算機(jī)輔助三維設(shè)計與模擬,以眼球作為定位基準(zhǔn),在計算機(jī)生成的表面顯示三維圖像上模擬截骨術(shù)和骨骼移動。1995年,Devauchelle討論了三維圖像技術(shù)與顱面整形的關(guān)系、計算機(jī)模擬手術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景,并指出三維成像技術(shù)的目的在于術(shù)前把畸形和所需做修復(fù)的精確空間定位提供給術(shù)者。目前,整形外科三維圖像技術(shù)主要是基于CT掃描數(shù)據(jù)和計算機(jī)三維重建,故只能針對骨組織畸形或缺損,在顱面整形和牙頜面畸形矯治方面的應(yīng)用較多,而在軟組織結(jié)構(gòu)與表面形態(tài)方面的應(yīng)用,則因受圖像采集生成方式的限制而仍多限于二維平面。Altobelli提出計算機(jī)輔助整形外科手術(shù)設(shè)計與模擬的10條要求:①三維數(shù)據(jù)的高解析度采樣;②多個平面數(shù)據(jù)的三維重建;③交互式的圖像顯示與測量;④二維及三維解剖數(shù)據(jù)庫的用戶界面;⑤截骨術(shù)及骨塊位置移動的模擬;⑥軟組織手術(shù)的模擬和(或)骨骼移位對軟組織影響的模擬;⑦術(shù)中導(dǎo)航和對患者解剖及相應(yīng)計算機(jī)圖像記錄的方法學(xué);⑧解剖模型和植入體的制作;⑨以往手術(shù)經(jīng)驗的知識數(shù)據(jù)庫;10Ｔ碩學(xué)與生物力學(xué)分析。ハ勻,用計算機(jī)逼真地模擬手術(shù)過程對軟、硬件的要求非常高,而且是以鼠標(biāo)、鍵盤為工具,外科醫(yī)生要能熟練操作才行,另外實(shí)際的手術(shù)器械及材料也無法在顯示屏上應(yīng)用,與實(shí)際手術(shù)操作情況差別較大,因此目前臨床應(yīng)用更多的還是實(shí)體模型。

1.2.3在實(shí)體模型上進(jìn)行手術(shù)設(shè)計與模擬應(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)(Computer-Aided Design & Computer-Aided Manufacture,CAD/CAM),采用數(shù)控機(jī)床或激光加工工藝,根據(jù)插值處理后的CT和MRI數(shù)據(jù),可制造出輪廓光滑、與患者骨組織實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)完全相同的個體化模型。1995年～1997年,Klimek等^[19,20]采用"立體石版印刷技術(shù)"(Stereolithography)以光固化塑料為材料逐層迭加制成實(shí)體模型。1993年～1996年,Rose等^[21,22]則用數(shù)控機(jī)床分別以聚丙烯酸甲酯、多聚氨基甲酸乙酯泡沫或樹脂加工制成實(shí)體模型。1993年,Kaneko等·[23]