顱頜面修復重建的計算機輔助手術設計和模擬的臨床應用研究.pdf

1、一、研究背景： 計算機輔助技術在醫(yī)學領域的應用日趨廣泛，近20年來已成為外科領域研究應用的方向之一。近十余年來，醫(yī)學三維影像技術與計算機科學技術迅猛發(fā)展并相互交叉滲透，產(chǎn)生了計算機輔助立體定向導航系統(tǒng)、計算機輔助手術設計模擬系統(tǒng)(CADS)。國外90年代后，三維CADS技術進入臨床應用推廣階段，特別是近年來圖像工作站和軟件技術的不斷改進，國際上多數(shù)顱面外科中心已將手術模擬構建術后三維藍圖作為術前手術計劃的常規(guī)內(nèi)容。目前，對醫(yī)學圖

2、象進行三維建模的軟件3DCMFCAS、3D-DOCTOR業(yè)已開發(fā)出來，但其測量功能相對不足，且操作復雜，需要一段時間的學習才能掌握；而對三維圖像進行測量的軟件系統(tǒng)，包括GeoMagic、3DMAX、3DStudio、RapidForm等，這些軟件主要為工業(yè)制造設計，不適合作臨床手術設計。因此，臨床上需要集成三維建模和圖像測量功能，但又易于學習和掌握的軟件系統(tǒng)。 自從DevidGreig于1924年提出眶距增寬癥(Hypertel

3、orism)的概念以來，眶距增寬癥的外科治療一直都是顱面外科的難點和熱點所在。眶距增寬癥是指兩眼眶間骨性距離過度增寬的一種疾病，其診斷標準在于內(nèi)眶距(Interorbitaldistance，IOD)的精確測量，即兩側淚峭點間的距離。目前認為，篩房竇的水平方向增寬是眶距增寬癥的主要發(fā)病機制?？艟嘣鰧挵Y的手術治療，要先探明導致眶距增寬的原發(fā)病的情況，再分析眶距增寬的程度，從而做出正確的選擇。顱內(nèi)外聯(lián)合徑路截骨術是1968年由法國整形醫(yī)師P

4、aulTessier首創(chuàng)了由顱內(nèi)和顱外聯(lián)合徑路做眼眶四周的完全截骨術，移動和拼接松動的眼眶骨架，去除眼眶之間多余的骨條以縮小骨性眶間距離。其手術過程復雜，需多科配合，安全性較差，可能有較為嚴重的并發(fā)癥發(fā)生。用計算機輔助手術設計和模擬系統(tǒng)，完成顱骨三維模型的建立，并進行精確的測量研究，確定手術截骨的范圍、路徑，并進行術前手術模擬，以減少手術危險性和可能發(fā)生的并發(fā)癥，確保手術效果，是臨床上眶距增寬癥治療的重要研究內(nèi)容。 下頜角肥大是

5、顱頜面外科常見的畸形之一。在亞洲，傳統(tǒng)的觀念認為瓜子臉是美的主要特征之一。因此，對下頜角肥大的矯治一直是面部整形美容外科的一個重要內(nèi)容。根據(jù)手術入路可將下頜角肥大矯正術分為口內(nèi)入路、口外入路以及口內(nèi)外聯(lián)合入路三種方式。口內(nèi)入路由于切口隱蔽，在臨床上廣受歡迎。其并發(fā)癥主要為術中出血、感染、神經(jīng)損傷、不對稱崎形及下頜形態(tài)不滿意。由于技術的進步，術中出血、感染、神經(jīng)損傷等的發(fā)生率減少；而隨著患者對美的追求的不斷提高，對下頜形態(tài)不滿意的相對比例

6、增加。利用計算機輔助手術系統(tǒng)完成術前的測量，完善手術截骨線的設計，在實際手術中實現(xiàn)精確定位，是提高手術效果的可靠手段。 顏面不對稱畸形臨床上通常是指面部兩側的大小不同或不協(xié)調(diào)，表現(xiàn)為顱面左右兩側標志點相對正中矢狀平面的不協(xié)調(diào)。目前顏面不對稱往往靠臨床醫(yī)生對平衡的感覺和病人對不平衡的知覺來確定，因此嚴重影響了對該病的診治。對顏面不對稱畸形的診斷，主要還是通過采集病史、臨床檢查、X線圖像研究等方法來確定軟、硬組織與牙牙合功能的不對稱

7、范圍和程度。頭顱定位后前位片，對研究雙側面部不對稱畸形的價值已基本得到公認，但在對下頜骨的對稱性與長度變化的定量診斷還不是最佳的。為使對顏面不對稱畸形的診斷能更充分、更全面，在臨床中對顏面不對稱畸形患者的檢查診斷不應默守常規(guī)，還應尋找更好的方法。利用計算機輔助手術系統(tǒng)對顏面不對稱畸形患者頭顱三維模型進行精確的測量，實現(xiàn)顏面不對稱畸形的定量化診斷，并通過計算機輔助完成術前設計，是目前的發(fā)展方向。 二、研究目的 (一)設計開

8、發(fā)安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)(AngelDigitalImagesStudio，ADIS)，為顱頜面修復重建計算機輔助測量、診斷、手術設計及模擬提供一套操作簡潔和便利的系統(tǒng)。 (二)通過安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)在眶距增寬癥典型病例的臨床應用，研究對手術設計有指導意義的術前三維測量指標，手術設計和模擬及效果比較分析的方法。 (三)通過安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)在下頜角肥大典型病例的臨床應用，研究下頜角整形術前診斷、設計和

9、手術前后效果對比的測量指標、方法以及臨床手術精確定位的的方法。 (四)通過安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)在顏面不對稱畸形典型病例的臨床應用，探討顏面不對稱畸形數(shù)字化定量診斷的的步驟、測量指標和方法以及輔助手術設計的方法。 三、研究內(nèi)容 第一章：描述顱頜面修復重建的計算機輔助手術設計和模擬系統(tǒng)的硬件和軟件構成、工作流程；闡述安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)中重要功能的理論依據(jù)和方法，介紹系統(tǒng)的特點和實現(xiàn)的基本功能。

10、第二章：(1)描述用安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)在眶距增寬癥顱骨三維模型中骨性眶距、篩骨寬度和水平板高度、眼球突度和內(nèi)外長徑的測量方法，探討其測量意義。(2)通過術前測量值，計算手術參數(shù)，了解眶距增寬癥計算機輔助手術設計的具體方法和依據(jù)。(3)在安琪兒系統(tǒng)中實現(xiàn)眶距增寬癥計算機輔助模擬手術的步驟。(4)進行手術前、手術模擬和實際手術后的內(nèi)眶距、外眶局、顳間距、眼球突度和眼球內(nèi)外長徑的測量值及正常對照值的比較，分析手術模擬與實際手術的效果。

11、 第三章：(1)描述用安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)在下頜角肥大顱骨三維模型中下頜骨的骨性指標的測量方法，探討其測量意義。(2)研究下頜角肥大整形手術中實現(xiàn)計算機輔助手術設計、精確定位的具體方法和步驟。(3)術前和實際手術后相關指標的對比分析，手術效果分析。 第四章：(1)描述用安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)在顏面不對稱畸形顱骨三維模型中對顱骨進行形態(tài)學觀察的方法，探討其實際意義。(2)研究用安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)進行顏面不

12、對稱畸形病例實現(xiàn)定量化診斷的測量指標、測量方法，探討其診斷意義。(3)研究用安琪兒軟件進行圖象對稱復制進行手術圖象模擬的方法。 四、研究結果 第一章：(1)顱頜面修復重建的計算機輔助手術和設計系統(tǒng)充分利用了醫(yī)院現(xiàn)有的設備和商用軟件，通過軟件的二次開發(fā)，實現(xiàn)了三維建模和測量功能的集成。(2)安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)中重要功能的實現(xiàn)具有較成熟的理論基礎和可靠的方法。(3)安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)中實現(xiàn)了DICOM圖像的讀

13、取、測量、三維模型的建模、三維模型的任意坐標轉換、三維圖像的切割、拼接、數(shù)據(jù)分類保存、導出和統(tǒng)計分析、圖像對比分析等功能。 第二章：(1)通過安琪兒軟件系統(tǒng)可以精確測量內(nèi)眶距、外眶距、顴間距、篩骨寬度和水平板高度、眼球突度和內(nèi)外側長徑，其測量值有助于明確術前診斷，是手術設計和手術效果對比分析的基礎。(2)通過安琪兒軟件系統(tǒng)，在測量的基礎上，可以進行計算機輔助眶周截骨線的設計。(3)在安琪兒軟件系統(tǒng)中，通過菜單操作實現(xiàn)了眶周截骨的

14、手術模擬。(4)通過患者手術前、模擬手術及手術后的測量值比較發(fā)現(xiàn)，患者手術后內(nèi)眶距、外眶距、顳骨內(nèi)間距均恢復到正常范圍，且手術模擬結果與手術實際效果基本一致。而在眼球突度和眼球內(nèi)外徑等指標上，手術模擬與手術實際效果有一定的差距。 第三章：(1)安琪兒軟件系統(tǒng)可以直接測量下頜角角度，下頜角外翻程度需要通過下頜支高和下頜角間距與正常值的比較進行推斷。(2)在安琪兒軟件系統(tǒng)中，通過測量定位點的坐標和截骨點與原點的距離，可以方便的實現(xiàn)手

15、術中截骨線的定位。(3)通過比較患者手術前后左右兩側對稱點測量值的差值可以判定手術后兩側下頜角的不對稱性和外翻的改善程度。 第四章：(1)安琪兒軟件系統(tǒng)軟件中可以實現(xiàn)對顏面不對稱畸形患者顱骨三維模型中顱骨各部分的多角度、多方位的形態(tài)觀察。(2)在安琪兒軟件系統(tǒng)軟件中可以測量上下牙中線偏移度、顱骨三維模型中左右兩側標志點相對正中矢狀面的距離，并可計算非對稱率；通過下頜骨下頜升支高度、下頜綜合長度、下頜升支寬度的測量判斷下頜骨的發(fā)育

16、情況。(3)利用安琪兒軟件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)顏面不對稱畸形患者三維圖象的左右對稱性復制。 五、研究結論 第一章：安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)軟件是一款易于使用、集成了醫(yī)學圖象三維建模和測量功能，適于顱頜面修復重建的計算機輔助測量、設計和手術模擬的軟件。通過窗口的菜單操作即可實現(xiàn)DICOM圖像的讀取、測量、三維模型的建模、三維模型的任意坐標轉換、三維圖像的切割、拼接、數(shù)據(jù)分類保存、導出和統(tǒng)計分析、圖像對比分析等功能。 第

17、二章：安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)在眶距增寬癥的臨床應用中，通過術前精確測量，可以明確術前診斷，完善手術設計，計算手術參數(shù)；并能完成手術過程模擬，取得與實際手術基本一致的結果。 第三章：安琪兒數(shù)字圖像處理分析系統(tǒng)在下頜角肥大整形術的臨床應用中，通過病人術前頭顱CT三維模型精確測量，能明確術前診斷，可以輔助實現(xiàn)手術中下頜角截骨線的精確定位，并取得了較好的應用效果。 第四章：安琪兒軟件系統(tǒng)軟件在顏面不對稱畸形病例的臨床應用中，