交互式醫學圖像控制系統（MIMICS）在頜面部骨折手術中的應用研究

劉 楊，塔依爾·阿力甫，居來提·吐爾遜，姚志濤，阿迪力江·賽買提，張永富，買買提吐遜·吐爾地

?頜面美容?

交互式醫學圖像控制系統（MIMICS）在頜面部骨折手術中的應用研究

劉 楊，塔依爾·阿力甫，居來提·吐爾遜，姚志濤，阿迪力江·賽買提，張永富，買買提吐遜·吐爾地

（新疆醫科大學第一附屬醫院頜面部創傷正頜外科 新疆 烏魯木齊 830054）

目的：探討交互式醫學圖像控制系統在計算機輔助頜面部骨折手術中的應用價值。為陳舊性的創傷性頜面部不對稱患者及嚴重骨折患者術前精確設計手術方案及達到術后良好效果提供可靠依據。方法：對18例擬進行頜面部骨折復位的創傷患者頭面部三維CT斷層掃描圖像,識別確定重建對象,對骨組織采用灰度閾值法進行自動重建；采用MIMICS軟件對獲取的醫學信息進行建模。根據頜面創傷外科醫生制訂的方案在模型中完成手術的模擬和骨折斷端鏡像重建，預測骨折斷端的正常位置恢復頜面部的對稱性。結果：完成了頜面骨組織的患者頭面部三維重建模型。鏡像模擬了頜骨骨折復位手術移動骨斷端過程，預測骨折復位的正常解剖位置，并且以動態動畫形式演示,可從任意角度進行觀察。實現了頜面部創傷手術中骨折斷端復位的正確指導，術后骨組織移位的可視化預測。結論：利用醫學影像資料,采用MIMICS軟件可實現人頭面部復雜結構的三維重建和鏡像模擬，可以動態形式完成頜面部骨折手術的模擬復位，尤其對陳舊性、多發性骨折的術前預測骨折斷端的復位精度，并提高了骨折復位的準確度和精度。可在計算機屏幕前制定手術方案，進行手術醫師術前手術評估和預測，提高了頜面部骨折手術的有效性、精確性和矯治效果。

MIMICS；骨折；頜面創傷；鏡像；可視化；骨折復位

21世紀以來，隨著計算機技術的不斷進步及其應用領域的廣泛擴展，各類醫用工程軟件應運而生。交互式醫學圖像控制系統(Materialise’s interactive medical image control system，MIMICS)軟件是由比利時Materialise公司研發的一款集快速原型技術和逆向工程技術于一體的醫用三維圖像處理軟件，可用于臨床診斷、手術方案制定、手術模擬等領域。口腔頜面部是人體的暴露部分，易受外力而導致頜面部骨折，比較常見的有交通事故、高空墜落、擊打、爆炸、極少數可由醫源性因素導致損傷[1]。頜骨解剖結構復雜，因此常導致嚴重的多發性骨折。如何從宏觀及全局的視角制定有效的手術方案，很大程度上決定著骨折復位的精確性，也成為臨床醫師們關心和研究的課題之一。因此，筆者科室使用MIMICS軟件對18例擬行骨折復位手術的頜面部多發骨折患者的影像資料進行三維重建、鏡像模擬、以動態形式完成頜面部骨折手術的模擬復位，以探討 MIMICS在頜面部骨折復位手術中的臨床價值。

1 資料和方法

1.1 臨床資料：研究對象均選自2014年1月-2016年6月于新疆醫科大學第一附屬醫院頜面部創傷正頜外科就診的患者。本組共18例，其中男14例，女4例，平均年齡為31.5歲，其中1例女性為未成年人。有研究表明頜面部骨折男性發病率明顯高于女性[2]。上述對象其中車禍致傷9例、高處墜落致傷5例、重物砸傷4例。具體見表1。

1.2 方法

1.2.1 CT采集數據：患者入院后于疆醫科大學第一附屬醫院影像中心CT室進行三維螺旋無增強掃描。所采用設備為美國GE公司生產的64排螺旋CT掃描機(GE-Lightspeed plus 64) 及其工作站(GE Advantage Workstation 4.0)。掃描范圍自顱頂處始，至下頜骨下緣止；三維螺旋CT的掃描數據以DICOM (digital imaging and communication in medicine)格式輸出，并使用光盤保存。

1.2.2 三維模型重建：將所需的建模范圍選擇為自顱頂到下頜骨下緣所在的斷層，三維CT獲得的醫學信息資料直接導入MIMICS 軟件中。完成建模后，可以STL格式文件輸出并保存所得三維可視化虛擬模型。

1.2.3 鏡像（Mirroring）：在交互式醫學圖像控制系統（MIMICS）中的simulation模塊將所建立的三維可視化虛擬模型打開并進行3D模型計算，將所需要的骨折斷端使用該軟件中的分割工具進行切分，把健側連續性完好的骨端鏡像致患側，并將所分離出的患側骨折斷端以所得的鏡像數據作為參照進行移動、復位恢復其正常的解剖形態。

1.2.4 模擬手術：根據患者的病史資料、體征、曲面斷層片、CT影像等資料，由經驗豐富的頜面外科醫師，并經科室讀片討論后制訂最終手術方案。通過MIMICS軟件移動骨折斷端，反復模擬復位、測量分析，確定骨折斷端移動距離。并通過MIMICS軟件界面動態鏡像的預測演示術后的復位效果。利用快速成型技術將之前所得鏡像后數據制作三維頭顱模型，在三維頭顱模型上預彎骨折內固定鈦板，用于術中引導骨折復位。

表1 18例頜面部骨折患者一般資料統計 （例）

1.3 術后效果評價標準：針對頜面部骨折的復雜性，可以從骨折斷端復位程度，面部外形恢復的患者滿意度，張口度，咬牙合關系的恢復，患者視力、眼球動度、有無復視等方面進行術后效果的評價，結合以上指標根據患者術后1周及術后3個月內定期隨訪復診結果進行分級評估。優：骨折斷端復位良好，面部外形恢復良好，張口度正常，無張口受限（開口度大于4cm或三橫指），咬牙合關系正常，患者視力、眼球活動度正常，無復視；良：骨折斷端復位良好，面部外形恢復基本滿意，張口輕度受限（開口度3～4cm或兩橫指），咬合關系欠佳（有輕微前牙開牙合、個別牙錯牙合），患者視力正常、無復視、但眼球活動度欠佳；差：骨折斷端未復位，錯位愈合，面部外形恢復差，張口受限（開口度小于3cm或一橫指），存在明顯錯牙合畸形并嚴重影響咀嚼，患者視力、眼球動度異常并伴復視等癥狀。

2 結果

術后1個月隨訪，結果見表2。

表2 18例頜面部骨折患者術后1個月療效統計 （例）

3 典型病例

患者，男，32歲，半月前因車禍致頭面部外傷。傷后患者有昏迷癥狀，CT顯示：右側額顳硬膜外血腫、左側顳葉腦挫裂傷、右側面部多發骨折，遂由神經外科先行收治。患者生命體征平穩后轉至筆者科室，該患者CT可見：右側顴骨顴弓多發骨折、右上頜骨多發骨折（右側眶外側緣眶下緣骨折、右上頜竇前壁骨折）（見圖1～2）。臨床癥狀：該患者雙側面部不對稱，右側面部明顯塌陷；于右側顴骨顴弓、眶外側緣眶上緣、上頜竇前壁可觸及多處臺階感；中度張口受限。將該患者螺旋CT原始數據以DICOM格式導入MIMICS中進行三維重建，獲得STL格式的三維可視化虛擬模型（見圖3）。將骨折區域進行分割（見圖4）照文中所述步驟進行鏡像模擬（見圖5）。由有經驗的頜面外科醫師反復研究觀看模擬手術并按照術前方案，通過術前預先彎制的骨折內固定鈦板引導復位，實施精確骨折復位手術。該患者術后1個月隨訪復查，CT結果示：骨折斷端均復位良好（見圖6）。患者張口度、咬牙合關系均恢復良好，達正常水平。

圖1 頜面部CT橫斷位平掃

圖2 頜面部CT冠狀位平掃

圖3 MIMICS重建三維可視化虛擬模型

圖4 骨折區域分割提取

圖5 鏡像模擬后的三維模型

圖6 術后三維重建模型

4 討論

口腔頜面部生理解剖結構的復雜決定了該部位骨折的復雜性，其骨骼有別于軀干等部位,形態各異、精巧且較為薄弱，毗鄰顱底，同時又是構成口腔、鼻腔與眼眶的骨性支架。其結構的復雜性加之受力大小、方向、部位的不同又決定了該部位發生骨折的類型多樣性。一般頜面部骨折患者多伴有顱腦損傷、多臟器損傷等較為嚴重且危及生命的并發癥。待患者生命體征平穩轉入頜面外科就診時，頜面部骨折多發展為錯位愈合，一定程度上影響患者頜面部形態、口腔功能的恢復，更是加大了骨折復位手術的難度。傳統手術模式中術者憑借個人經驗進行復位，手術操作時間長，難以準確復位解剖結構。并且常常導致術后瘢痕、神經損傷等并發癥，影響預后效果，與準確重建頜面部外形及功能的要求存在一定的距離[3-4]。針對此種現實情況，更加突顯了交互式醫學圖像控制系統在計算機輔助頜面部骨折手術中的應用價值。

目前,國內外利用CT、MRI等進行三維重建已研究多年，其研究成果正初步運用于臨床，其中最具代表性的就是醫學圖像三維可視化技術。通過三維重建二維數據達到重構人體的器官組織及病變部位的目的，從而提高了醫療診斷和治療的精確性和科學性。醫學圖像三維可視化在提供醫生診斷信息、模擬手術、臨床診斷和治療方面都發揮著至關重要的作用。該技術在醫學領域尤其是顱頜面創傷領域有著廣泛的應用前景[5-7]。

螺旋CT三維圖像可以使臨床醫師更加直觀地了解三維立體空間的實際大小、形態、位置及周圍組織的立體解剖關系[8]，但存在一定的弊端，例如：重建過程中數據丟失造成假性骨折線、空洞征等。mimics軟件則是實現生物體CT數據直接到3D模型的“無縫銜接工具”。它基于螺旋CT斷層掃描得到標準數據，利用其強大的自動三維建模功能使原始圖像無需進行任何形式轉換，減少了建模過程中的人為因素，使得所建幾何模型外形更加逼真、精確[9-10]。

利用mimics所重建的三維可視化模型不僅逼真、精確，還可以任意進行動態旋轉，進行多角度觀察，并能顯示不同解剖層面的細微結構，可供術者多方位了解骨折斷端情況。通過模擬手術功能所得動畫視頻可以供術者反復研究觀看熟悉手術方案及骨折斷端復位路徑。此外，該軟件還可進行骨折斷端復位后的軟組織形變的預測。本研究中利用mimics進行手術模擬，不僅提高了臨床醫師手術方案制定的科學性、手術實施的精確性、手術成功率、手術效果的患者滿意度，還可以向患者及其家屬演示手術過程和預期效果，改變傳統醫患交流模式，使醫患交流有質的改變，從而可以很大程度上避免誤解、矛盾甚至醫患糾紛。

綜上所述，交互式醫學圖像控制系統（MIMICS）在頜面外科臨床工作中發揮著不可替代的作用。雖然該軟件也具有一定的局限性，例如：頜面部多發骨折（非單側，過中線）無法使用鏡像功能等，但其作為傳統外科向數字化外科發展的橋梁，值得廣大臨床醫師應用并探索其潛在的功能，使其進一步為醫療、教學、醫患溝通等方面的高效化提供支持和保障。

[1]忻文雷,李耀俊,厲禎,等.口腔頜面部骨折88例臨床分析[J]．口腔頜面外科雜志,2010,20(3):192-194.

[2]Motamedi HK. An assessment of maxillofacial fractures: a 5-year study of 237 patients[J].J Oral Maxillofac Surg,2003,61(I):61-64.

[3]Zhang QB,Dong YJ,Li ZB,et a1.Coronal incision for treating zygomatic complex fractures[J].J Craniomaxillofac Surg,2006,34(3):182-185.

[4]Shetty SK,Saikrishna D,Kumaran S.A study on coronal incision for treating zygomatic complex fractures[J].J Max-illofac Oral Surg,2009,8(2):160-163.

[5]Terzopoulos MT.Deformable models in medical image analysis:a survey[J].Medical Image Analysis,1996,1(2):91.

[6]Jan Klein.Computers&Graphies Visual computing for medical diagnosis and treatment[J].Computers and Graphics 2009,33(4):554-565.

[7]《中國組織工程研究與臨床康復》學術部.醫學圖像三維可視化仿真研究的學術與技術發展[J].中國組織工程研究與臨床康復,2009,52:10256-10257.

[8]李志剛,王田力.螺旋CT掃描和三維重建成像在口腔頜面部骨折的應用[J].實用口腔醫學雜志,2007,23 (1):51-53.

[9]Kavanagh EP,Frawley C,Kearns G,et al.Use of finiteelement analysis in presurgical planning:Treatment of mandibular fractures[J].Ir J Med Sci,2008,177(4):325-331.

[10]Buyukkurt Mc,Tozoglu S,Yavuz Ms,et al.Simulation of sinus floor augmentation with symphysis bone graft using threedimensional computerized tomography[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2010,39(8):788-792.

Application of Materialise’s Interactive Medical Image Control System (MIMICS) in the Maxillo-facial Trauma Surgery

LIU Yang, Tayier·ALIFU, Julaiti·TU’ERXUN,YAO Zhi-tao,Adilijiang·SAIMAITI, ZHANG Yongfu,Maimaitituxun·TU’ERDI
(Department of Oral Maxillofacial Surgery,First Teaching Hospital, Xinjiang Medical University,Urumqi 830054, Xinjiang,China)

Objective To evaluate the value of Materialise’s Interactive Medical Image Control System (MIMICS) in the computer aided surgery. To offer a reliable system for precise surgical planning and good effect of maxillo-facial trauma surgery.MethodsBased on CT images, geometric characteristics of 18 patients’ head were collected for a 3D reconstruction of the human head. Skull, maxilla, mandibula and zygomatic bone were reconstructed and optimized separately by MIMICS 10.01. Surgeries were simulated and the reduction of the diviated bony deformation was predicted according to the surgical planning of experienced maxillo-facial trauma surgeon.ResultsMesh of skull, maxilla, mandibula and zygomatic bone was constructed manually for 18 patients. Surgical procedures were simulated and the prediction of hard tissue deformation was realized by MIMICS, which could be visualized in any angle.ConclusionMIMICS is a helpful digital tool for computer aided trauma surgery and the prediction of fracture reduction. MIMICS is also a 3D visualization system for maxillo-facial trauma surgeries, by which surgeons could realize the surgical planning, revising, and pre-op plan making on the computer screen.

MIMICS;fracture; maxillo-facial trauma surgery; visualization; mirroring; fracture reduction

R782.2

A

1008-6455（2017）02-0081-03

2016-11-15

2016-12-30

編輯/李陽利

買買提吐遜?吐爾地，男，維吾爾族，副教授、副主任醫師、研究生導師；E-mail：529849593@qq.com