計算機圖像處理技術在整形美容外科中的應用

張　輝　魯開化等

(第四軍醫大學西京醫院整形外科西安710032)

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

計算機圖像處理技術在醫學領域的應用日趨廣泛,近20年來已成為整形外科領域研究應用的方向之一。本文將國內外近年來有關計算機圖像處理技術在整形外科面積測量與結構分析、手術設計與模擬、術中導航、輔助預制假體、軟組織生物力學分析、計算機整形專家系統等領域的具體應用進行了綜述,并提出了需解決的問題及今后主要的發展方向。

1具體應用領域

1.1面積測量與結構分析1983年,Hilger等^[1]首次將計算機圖像技術用于鼻成形術形態測量和結構分析。1987年,美國試制成功第一臺由計算機與錄像設備組成的整容檢測儀并投入應用。1988年至1992年,Papel等^[2～4]都先后采用計算機技術對人體,特別是面部形態進行了測量與分析。國內1990年王大章等^[5,6]開始在口腔整形方面應用計算機進行測量分析、輔助診斷、療效預測等研究。1995年,王積恩等^[7]對鼻形態12個項目進行了計算機測量分析,胡志奇等^[8]報告了120例隆鼻術前后做形態測量與統計分析的結果。同年,王大為等^[9]用記錄像素點個數測量面積的方法,精確測算了外擴張所得的二維平面"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化成二維平面,采用類似的測量方法對三維空間的擴張皮膚面積進行了測量,最大誤差小于3%。1997年,Namnoum等^[11]曾用計算機重建了人類胎兒人中部位的肌纖維與皮膚組織的三維結構,幫助人們正確認識了該部位的解剖結構及人中特殊形態形成的機理。ヒ窖圖像能直觀準確地提供診斷信息,作為手術的重要依據和指導,這對以改善外觀形態為主要目的的整形外科尤為重要。用計算機進行形態測量與分析,較傳統的手工測繪與肉眼觀察,除簡便、迅速、可滿足大樣本多參數測量外,還可精確測算細微差別或不規則面積,并可結合黃金分割等進行美學分析。

1.2手術設計與模擬

1.2.1CAS、CAPS和Simulation Surgery的概念CAS是Computer-Aided Surgery的縮寫,即計算機輔助外科,指一種全新的模擬仿真及術中導航系統,對于面部整形手術而言有計算機化的手術設計與模擬系統(Computerized Surgerical Planning and Simulation Surgery System),該系統用于術前設計、術中導航、假體的輔助設計與移植模擬,目前已有商品化的產品問世^[12]。應用CAS系統需要以下條件:①手術小組;②成像設備;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體數據的抽取與處理;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]最早提出和補充了Simulation Surgery,即模擬外科的概念,并將其分為經驗模擬外科(即術者憑經驗在頭腦中模擬手術的過程)和計算機模擬外科兩類。對于后者,術前即可在顯示器上或按測量數據制作的實體模型上觀察到感興趣區域的三維解剖結構,并模擬可能的外科操作。以下按顯示方式分類介紹其應用情況。

1.2.2在計算機上進行手術設計與模擬1992年,Theodore等在計算機屏幕上對面部皮瓣進行簡單設計與模擬,計算機被用作一張繪圖紙。1993年,唐勝建等^[16]采用計算機成像技術輔助面部手術設計與效果預測,臨床驗證312例,取得初步效果。1997年,王大為等^[17]報告了應用自行研制的軟件,對隆鼻術患者術前圖像測量分析后通過灰度外推、坐標內插等方法,模擬術后效果。1995年,Pieper等^[14]報告了結合有限元數學模型的計算機輔助面部手術模擬系統,可對顏面部的直線形傷口和菱形-W形皮膚成形術在計算機上進行設計與模擬,并預測術后效果。1993年,Altobelli等^[18]進行了顱面整形手術的計算機輔助三維設計與模擬,以眼球作為定位基準,在計算機生成的表面顯示三維圖像上模擬截骨術和骨骼移動。1995年,Devauchelle討論了三維圖像技術與顱面整形的關系、計算機模擬手術的優點及發展前景,并指出三維成像技術的目的在于術前把畸形和所需做修復的精確空間定位提供給術者。目前,整形外科三維圖像技術主要是基于CT掃描數據和計算機三維重建,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用較多,而在軟組織結構與表面形態方面的應用,則因受圖像采集生成方式的限制而仍多限于二維平面。Altobelli提出計算機輔助整形外科手術設計與模擬的10條要求:①三維數據的高解析度采樣;②多個平面數據的三維重建;③交互式的圖像顯示與測量;④二維及三維解剖數據庫的用戶界面;⑤截骨術及骨塊位置移動的模擬;⑥軟組織手術的模擬和(或)骨骼移位對軟組織影響的模擬;⑦術中導航和對患者解剖及相應計算機圖像記錄的方法學;⑧解剖模型和植入體的制作;⑨以往手術經驗的知識數據庫;10Ｔ碩學與生物力學分析。ハ勻,用計算機逼真地模擬手術過程對軟、硬件的要求非常高,而且是以鼠標、鍵盤為工具,外科醫生要能熟練操作才行,另外實際的手術器械及材料也無法在顯示屏上應用,與實際手術操作情況差別較大,因此目前臨床應用更多的還是實體模型。

1.2.3在實體模型上進行手術設計與模擬應用計算機輔助設計與制造技術(Computer-Aided Design & Computer-Aided Manufacture,CAD/CAM),采用數控機床或激光加工工藝,根據插值處理后的CT和MRI數據,可制造出輪廓光滑、與患者骨組織實際解剖結構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"(Stereolithography)以光固化塑料為材料逐層迭加制成實體模型。1993年～1996年,Rose等^[21,22]則用數控機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體模型。1993年,Kaneko等·[23]