計(jì)算機(jī)輔助三維顱頜面硬組織手術(shù)模擬系統(tǒng)的初步研究

[摘要]目的：基于個(gè)人計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三維顱頜面硬組織手術(shù)模擬，以期能夠?yàn)轭M面顱畸形術(shù)前診斷和制定定量化的手術(shù)方案提供參考。 方法：以Windows98為操作平臺(tái)，采用醫(yī)學(xué)三維可視化技術(shù)和VisualC++6.0編程語言開發(fā)三維顱頜面硬組織手術(shù)模擬系統(tǒng)。結(jié)果：以CT為原始資料，成功地采用交互方式對(duì)顱頜面經(jīng)典的幾種手術(shù)截骨方式進(jìn)行了模擬，系統(tǒng)可以反復(fù)進(jìn)行手術(shù)模擬，直到結(jié)果滿意為止。結(jié)論：該系統(tǒng)的建立將為提高顱頜面臨床診斷和治療水平，促進(jìn)醫(yī)患的交流與合作發(fā)揮作用。

[關(guān)鍵詞]頜面部畸形；計(jì)算機(jī)圖像；三維手術(shù)預(yù)測(cè)模擬；虛擬現(xiàn)實(shí)

[中圖分類號(hào)]R782[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1008-6455（2008）06-0840-03

Computer-assisted three dimensional planning and simulation system for orthognathic surgery

--3D virtual osteotomy

SUN Ying-ming， WANG Xiao-bo， LI Xin-jun， DING Jia-gen

（Department of Stomatology，The Military 101th Hospital，Wuxi 214044，Jiangsu，China）

Abstract:ObjectiveTo realize orthognathic simulation and pre-operative diagnosis andquantitative design ofsurgicalprocedures on personal computer. MethodsOn the basis of Windows 98 ， the system was developed by 3-D visualization technique and VisualC++6.0.ResultsThe classic orthognathic osteotomies were performed in our system interactively by using CT data， and the osteotomy simulation can be repeated until the results were satisfactory.ConclusionThe system can be used toraise the level of clinical diagnosis and treatment， and promote the communication and cooperation between patients and doctors.

Key words: maxillofacial deformity; computer graphics; three dimensional surgical planning and simulation;virtual reality

長(zhǎng)期以來計(jì)算機(jī)專家和頜面外科專家致力于顱頜面模擬和預(yù)測(cè)的研究。傳統(tǒng)的顱頜面分析和模擬是在二維平面上進(jìn)行的，由于誤差的存在和人的顱面結(jié)構(gòu)并非左右完全對(duì)稱，因此預(yù)測(cè)精度受到限制。模型外科能夠?qū)崿F(xiàn)立體的概念，但它是在失去了口腔周圍限制的情況下的模擬，與實(shí)際手術(shù)之間也存在一定的差異。對(duì)于不對(duì)稱及復(fù)雜顱頜面畸形，三維手術(shù)模擬系統(tǒng)有著不可取代的優(yōu)勢(shì)。本研究以CT資料為對(duì)象，初步實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助三維顱頜面硬組織手術(shù)模擬系統(tǒng)的初步研究，以期能在提高臨床治療水平，促進(jìn)醫(yī)患的交流與合作方面發(fā)揮作用。

1材料和方法

1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：硬件主要有pentium Ⅲ550；內(nèi)存，256M；硬盤，20GB；掃描儀；彩色打印機(jī)；圖像加速卡等。操作系統(tǒng)：Windows 98操作平臺(tái)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的專用分析和圖像處理軟件基于MicrosoftVisual++6.0編制。全部操作過程采用人機(jī)對(duì)話和菜單選擇方式完成。

1.2CT資料的獲取：我院門診顱頜面自愿接受CT檢查的患者。采用我院放射科CT機(jī)，機(jī)型為Picker 6000(美國(guó))。掃描參數(shù)為120KV、125mA，掃描層厚2mm、螺距1.5mm，共掃描134層。圖像格式為516×516matrix、16bits、ds格式文件，顯示視野（DFOV）為25cm。掃描層數(shù)由患者頭部的長(zhǎng)度而定。患者處于自然咬合狀態(tài)，仰臥位，眶耳平面與水平面垂直。從頜下區(qū)開始掃描，一直覆蓋到整個(gè)頭部。通過基于TCP/IP協(xié)議，采用FTP命令將位于工作站上的CT數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)，并保存為bmp圖像文件。

1.3 數(shù)據(jù)的預(yù)處理及三維重建：為了提高重建圖像的質(zhì)量，消除原始的切片文件噪聲和CT機(jī)采樣密度方向性不均勻的問題，需對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)行預(yù)處理。本實(shí)驗(yàn)中主要采用區(qū)域剪切和濾波、切片插值、圖像分割和切片重組等方法。 頭顱骨骼表面的三維重建采用移動(dòng)立方體法(Marching Cubes Algorithm，簡(jiǎn)稱MC)來進(jìn)行表面重建。

1.4 獲取待移動(dòng)組織數(shù)據(jù)塊：顯示患者顱頜面圖像于圖像終端，操作者按手術(shù)類型選取標(biāo)志點(diǎn)，畫出截骨線，位于截骨線上的所有邊界像素構(gòu)成“切割線”輸入并存儲(chǔ)于系統(tǒng)；所有邊界像素均予以標(biāo)記，使“截骨段”由邊界像素切割線界定為獨(dú)立、有確定大小和厚度的多面體操作塊。該切割線的所有輪廓點(diǎn)都經(jīng)過世界坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換并標(biāo)記到頭顱圖像上，輪廓線不連續(xù)之處則予以插值。

1.5對(duì)選定的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行手術(shù)模擬移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)：通過設(shè)定骨塊的參數(shù)，可以將骨塊移動(dòng)到任何預(yù)定位置，如果效果不滿意可以重復(fù)操作，直到滿意為止。

2結(jié)果

本研究成功地采用交互方式對(duì)顱頜面經(jīng)典的幾種手術(shù)截骨方式進(jìn)行了模擬，包括LefortⅠ截骨術(shù)、Lefort Ⅱ截骨術(shù)、下頜矢狀劈開截骨術(shù)和頦成形術(shù)等。系統(tǒng)可以計(jì)算出骨塊平移的距離、旋轉(zhuǎn)的角度等參數(shù)，用以指導(dǎo)臨床。同時(shí)可以反復(fù)進(jìn)行手術(shù)模擬，直到結(jié)果滿意為止。

典型病例：某男，19歲。“地包天”求治。臨床診斷為上頜后縮，下頜前突伴下頜不對(duì)稱錯(cuò)牙合畸形患者。手術(shù)采用上頜LefortⅡ型前徙術(shù)、下頜升支矢狀劈開截骨術(shù)并輔以頦成形術(shù)。術(shù)中上頜骨塊的移動(dòng)參數(shù)為（0，-5，0，0°）、下頜骨塊的移動(dòng)參數(shù)為（2.5，3，7.5，0°），頦部在下頜骨塊的移動(dòng)基礎(chǔ)上的移動(dòng)參數(shù)為（0，4，2.5，5°）。模擬情況如圖1～6所示。

3討論

迄今為止，計(jì)算機(jī)顱頜面虛擬截骨方法有三種，其一是基于側(cè)位X線頭影的二維手術(shù)模擬；其二是基于雙平面X線立體攝影技術(shù)的三維手術(shù)模擬；第三種是基于CT圖像的三維手術(shù)模擬。

基于側(cè)位X線頭影的二維手術(shù)模擬應(yīng)用于臨床時(shí)表現(xiàn)出一些局限性[1-2]，X線定位頭影是顱頜面骨的二維重疊影像，喪失了許多空間三維信息；影像模糊不清常致定點(diǎn)和測(cè)量誤差；正位定位X線頭影由于影像重疊致無法清晰顯示上頜骨、顴骨，鼻-篩-眶區(qū)整體外觀形態(tài)；側(cè)位定位X線頭影不能反映顱頜面不對(duì)稱畸形的特征，手術(shù)模擬是在顱頜骨側(cè)位輪廓剪影上進(jìn)行二維平面的操作，視覺效果類似于傳統(tǒng)的剪紙模板拼對(duì)療效預(yù)測(cè)。

在雙平面X線立體攝影技術(shù)重建三維圖像上可以進(jìn)行上頜骨、下頜骨及頦部多種顱頜面術(shù)式的模擬，手術(shù)方式通常有兩種：一種是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)Bolton的標(biāo)準(zhǔn)模板按照優(yōu)化原則自行模擬截骨塊移動(dòng)；另一種是人機(jī)交互方式即利用鼠標(biāo)移動(dòng)截骨塊，截骨塊可在三維坐標(biāo)方向上同時(shí)進(jìn)行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)可以自動(dòng)輸出相應(yīng)截骨塊在三維方向變化的數(shù)據(jù)。但其重建的圖像是三維的骨骼框線圖，因此手術(shù)模擬和預(yù)測(cè)的效果不夠直觀；并且存在許多不精確及誤差的地方；另外該方法所取得的測(cè)量數(shù)據(jù)還不能與其他方法對(duì)應(yīng)起來。盡管許多學(xué)者企圖解決這些問題，但并不如人意[3-4]。

基于CT圖像的三維手術(shù)模擬是當(dāng)今的一大熱點(diǎn)，因?yàn)樗朔艘陨蟽煞N方法的局限性。Moss等[5]以CT資料進(jìn)行顱頜面骨骼的手術(shù)模擬，通過結(jié)合激光掃描資料，對(duì)50例正畸聯(lián)合外科手術(shù)的先天面部畸形患者，成功地進(jìn)行交互式計(jì)算機(jī)圖像模擬，并將預(yù)測(cè)出三維面部形態(tài)展示給醫(yī)生和患者。Xia等[6-8]通過CT資料建立的三維計(jì)算機(jī)輔助模擬截骨手術(shù)系統(tǒng)，將外科醫(yī)生置身于一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境里：戴一個(gè)立體眼鏡，手握一個(gè)虛擬的“解剖刀”（3D鼠標(biāo)）來模擬三維骨塊的移動(dòng)，并且可以從任意的視角觀察手術(shù)的效果。國(guó)內(nèi)楊斌等[1]也采用CT方法，進(jìn)行了顱頜面硬組織的三維重建，并在骨組織上進(jìn)行了顱頜面整形外科的手術(shù)模擬，獲得了令人滿意的效果。

目前關(guān)于硬組織的手術(shù)模擬的方法已經(jīng)比較成熟。首先應(yīng)對(duì)移動(dòng)的骨塊進(jìn)行定義，即確定組織模塊內(nèi)的體數(shù)據(jù)，以便在模擬手術(shù)過程中對(duì)要操作的組織塊進(jìn)行變換（平移和旋轉(zhuǎn)）。對(duì)這些組織模塊的提取應(yīng)該事先確定組織模塊的邊界，然后根據(jù)組織模塊的邊界來獲取模塊中的體數(shù)據(jù)。這個(gè)過程實(shí)際上就是對(duì)體數(shù)據(jù)的切割。三維空間中，對(duì)體數(shù)據(jù)的切割一般采用平面切割，有時(shí)候也可以使用曲面切割。但采用曲面切割必須知道曲面的顯示表達(dá)式。對(duì)于一般的曲面我們只能用多個(gè)平面進(jìn)行擬合。當(dāng)然這樣的曲面也可以用已知表達(dá)式的曲面來擬合，如，二次曲面等，但由于體數(shù)據(jù)量巨大這樣做的結(jié)果十分費(fèi)時(shí)，因此用平面來擬合的方式是可取的，從本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看也是合適的。

另外，為了方便各種類型的顱頜面手術(shù)模擬的需要，我們還對(duì)以上算法進(jìn)行了改進(jìn)。采用二元的樹狀結(jié)構(gòu)運(yùn)算方法對(duì)骨和骨段進(jìn)行定義[7]，使得不同的對(duì)象有一個(gè)特定的代碼，如同“樹”狀結(jié)構(gòu)。例如，采用樹狀結(jié)構(gòu)的概念，先把重建的圖像分為頸部和頭顱；再把頭顱分為上頜和下頜；把下頜骨再分為兩個(gè)近心段和一個(gè)遠(yuǎn)心段，從遠(yuǎn)心段中分出頦部；在上頜骨中依次分出LefortⅢ、Ⅱ、Ⅰ型骨塊、再將LefortⅠ型骨塊分成三個(gè)骨塊等等。因此，每一個(gè)骨段有其自身的ID，這樣就很容易對(duì)手術(shù)模擬進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的運(yùn)算。功能包括：骨段的平移、旋轉(zhuǎn)、物體由可視到消失之間的轉(zhuǎn)換等。

本實(shí)驗(yàn)所建立起來的顱頜面硬組織手術(shù)模擬系統(tǒng)，進(jìn)行單個(gè)骨塊的截骨模擬需要大概25min的時(shí)間。外科醫(yī)生可以根據(jù)臨床診斷和經(jīng)驗(yàn)實(shí)施各種類型的截骨手術(shù)，并可不斷修改直到滿意為止。系統(tǒng)還將提供骨塊的移動(dòng)參數(shù)，包括平移的距離和旋轉(zhuǎn)的角度等，供術(shù)者參考。

致謝：感謝西安交通大學(xué)圖像處理研究所的杜春華、葛明、胡曉娟等給予本研究的支持。

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[收稿日期]2008-02-17[修回日期]2008-05-29

編輯/張惠娟