計算機輔助系統構建三維可視化及其在整形外科中的應用前景

整形外科傳統模式的局限及CT三維建模應運而生

CAS系統是將患者的實體、臨床手術和醫學影像有機地結合，利用術前醫學影像，對手術部位進行精確定位和導航，並突破了傳統手術的界限，拓展了外科醫師的手術視野，能更好地發揮術者的主動性和靈巧性。整形外科的傳統模式主要是靠測量一些離散的長度、角度和比例等二維信息和憑藉醫師的主觀經驗進行診斷分析和手術設計。由於獲得的信息量少，缺乏客觀的評判指標和有效的輔助手段，因此，手術醫師只能在大腦中構思手術的步驟，影響了手術效果和手術的安全性。然而，由於每位整形外科醫師對同一患者的術前及術後的評估可能產生分歧，因此，影像科醫師在了解整形外科醫師所應用術式的前提下，選用最佳的影像學檢查手段對圖像做出合理的解釋，有利於客觀地了解病情和制定正確的手術方案。

20世紀七八十年代，顱面外科醫師在術前使用三維CT掃描，重建複雜的面部模型，並只有骨骼解剖的術前規劃。目前，常規軟組織成像、圖像處理和模型的建立，有利於全面的術前治療計劃和確切的手術結果預測。現在，多種成像方式（如MRI和表面掃描激光）與CT成像有機地融合，大大促進了面部整形手術的發展。

CAS及CT三維重建在整形外科的應用和最新進展

目前，微創外科（minimally invasive surgery, MIS）正在成為各個外科領域熱門的辭彙，並且已與CAS密切聯繫在一起。我們通過CAS系統，可以得到手術部位術前的三維模型，能清晰地看到手術部位的形態，可以精確安排手術計劃和進行模擬術後效果圖，幫助外科醫師實施微創安全的近乎全身的各類手術，這是傳統手術無法實現的。由此避免了傳統手術的盲目性，降低了手術風險，提高了手術質量。近年來，經國內外學者的努力，使人體各系統結構模型的三維可視化研究有了突飛猛進的發展。張莉等採用基於拐點的精度可調的輪廓拼接三維重構演算法，通過輪廓比對找出相對正確的匹配關係，對中國數字人肩部結構進行了三維重建和幾何保存。結果獲得了肩部骨骼和肌肉包括皮膚結構的重建，並可以從任意角度來觀察肩部骨骼、肌肉等三維位置的關係，調整任意某結構的透明度。但是，在所建立的三維模型中，圖像的精度問題尚待提高。由於軟組織在結構上變化比較複雜，有些局部比較細微的結構變化在重建過程中容易造成信息的丟失，這對有效的演算法提出了更高的要求。

Singh和Saraiya通過3D顯示器等立體技術進行了三維內鏡鼻竇手術。該技術是利用一個單一的視頻晶元透鏡陣列的內窺鏡遠端而產生外科領域的一個立體視圖，因模仿節肢動物的複眼內窺鏡，也被稱為「昆蟲眼」技術。Radtke等在肝移植術中，將三維CT圖像導出的計算機輔助手術規劃（3D CASP）用於預測供肝的可塑性，實現移植後個性化的肝中靜脈(middle hepatic vein, MHV)管理對捐獻者和接受者移植物殘留量的分析，從而對供、受雙方進行個性化管理。Wang等通過三維模型的磁共振圖像，重建了陰莖和周圍組織的三維模型。劉彥龍等將MRI圖像導入三維重建軟體（Mimics 10.0）中，重建陰莖深懸韌帶及毗鄰結構的三維模型，對患者的陰莖深懸韌帶進行動態、立體化、多角度的觀察，並利用重建後的圖像為陰莖延長手術前判斷陰莖海綿體延長的長度，以及陰莖深懸韌帶的切除深度，提供了一定的理論依據。但其不能精確地描述韌帶纖維的走行、分層、分束等，存在一定的技術局限性。

Agarwal等通過對單側唇齶裂患者的上頜骨進行三維重建，探討其對鼻整形術的影響。Bella等建議應用三維可視化，建立一個國際公認的驗證唇齶裂患者手術結果的評估系統。Chung等則將人體脂肪移植在小鼠模型中，用CT重建三維模型進行容量分析，並通過這種模型為脂肪移植的進一步研究和軟組織工程的研究提供了平台。Kovacs等使用三維表面成像參數模擬建立解剖形及圓形乳房假體置入胸大肌後，其對乳房輪廓變化的模型及乳房形狀進行了評價，由此可以更加科學、合理、嚴謹地進行手術設計。de Heras Ciechomski等採用患者的二維照片，經三維激光表面掃描，使用三維重建軟體重建出患者的相應三維模型，用於術前幫助術者和患者對植入物和手術方法的選擇。Henseler等通過統計學方法，研究證明三維成像作為乳腺癌手術結果的評價指標是有效的。

Papageorgiou等建立了眉脂肪墊及周圍軟組織的三維可視化模型，通過對比表明，女性隨著年齡的增長脂肪量增加而軟組織量減少；男性隨著年齡增長眉部脂肪量和軟組織量的改變是不明顯的。Baek等通過三維可視化模型對顴骨骨折畸形癒合情況進行了評估，並說明其對手術的重新定位等起到了關鍵性作用。楊斌等對於單側冠狀縫早閉症所致的額部斜頭畸形患兒9例，通過CAS系統進行了顱面三維重建、顱面手術模擬、顱面容貌預測，均獲得了滿意的療效。術後隨訪1～2年，顱骨眼眶形態得以重建，解除了早閉的顱骨縫對大腦發育的限制，同時避免了受累顱骨縫再次早閉及顱面畸形複發。有學者對面部軟組織變化的預測，設計了兩種新演算法：表面正常的基礎模型變形演算法和射線投影基礎模型變形演算法。是將三維彩色人臉紋理映射技術應用於生成彩色照片真實感的人臉模型，建立了可以從任意視角可視化的人臉彩色模型。高效、高精度地實現被測對象的三維數據獲取，是實現計算機輔助手術模擬的基礎。我們應用上述方法，解決了傳統測量方法不適合採集活體表面三維數據採集的問題，同時應用CT掃描的斷層圖像，建立被測器官內部的三維信息。這兩種方法相互補充，可以根據不同需求分別獲取器官表面或內部結構的三維數據信息。在準確獲取三維數據後，應用計算機對其進行處理來獲得人體的三維數字模型。在此基礎上，對可能採取的多種手術方案做出理性的判斷；對整形手術所需植入體或移植組織進行外形和體積上的設計、製作，使醫師或患者在手術前即可預測術後效果，並能在術前對手術的全過程有全面的認識，幫助制定科學、合理、高效的個性化手術方案，並在術中進行引導。通過影像學的方法，簡便、高效地建立眉間區域表情肌的三維模型，可為解剖教學、手術培訓提供醫療教學平台；將患者的數字化模擬模型用於制訂個體化的術前規劃和手術模擬，同時將複雜的手術直觀化，使手術成為一個更加精確的過程。

綜上所述，計算機輔助整形外科是指一種全新的模擬模擬及術中導航系統，其為外科的發展提供了一種全新的發展方向，具有顯著的優越性和較大的應用價值與發展潛力。這種具有前瞻性、微創化、可重複性、可預見性的手術方式，使以往無法完成的手術難題得以解決，由此實現遠程手術(tele-surgery)和遠程醫療(tele-medicine)。目前，美國、歐盟、日本等國家都在研究CAS系統，力求佔領技術制高點，打開國際市場。因此，我國開展相關課題的研究，具有重大的戰略意義和現實意義。

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