三維重建技術在穿支血管解剖中的應用*

張繼方 譚建國 陳曉琳 連飄飄 張康佳 張柏城 周小兵

（南華大學衡陽醫學院應用解剖學與生殖醫學研究所，衡陽 421001）

供養人體皮膚的每一條穿支血管均有一個明確的分布范圍，即穿支皮瓣的解剖學供區，也稱之為穿支體區[1]。每一條穿支體區借助周邊的穿支血管吻合互相連接[2]，緊鄰解剖學供區的被稱之為動力學供區，若再繼續向遠鄰的供區延伸則稱之為潛力供區[3]。因此，如欲切取“跨區穿支皮瓣”則必須了解其周邊連接血管的特性[4]。對尸體標本或活體進行CT血管造影后，應用“后處理軟件”可清晰顯示全身各部位穿支血管的解剖學細節。使用交互式醫學影像控制系統（Materialise Interactive Medical Image Control System，Mimics 17.0，Materialise，Leuven，Belgium），可快速方便地顯示皮下血管網、穿支血管及其源動脈的三維分布狀況與毗鄰結構，包括淺層肌、肌間隔等，不僅有利于基礎研究工作者進行系統的解剖學研究，亦可輔助臨床工作者進行穿支皮瓣的術前設計與術中導航。

1 材料和方法

1.1 一般資料

新鮮成人整尸10具，男7具，女3具，平均年齡70歲，平均身高170 cm，均由南華大學衡陽醫學院人體形態中心提供。標本篩選標準包括無嚴重的血管疾病、大范圍的肌肉萎縮與外科瘢痕等。

1.2 動脈造影與應用解剖

所有尸體均進行一次性明膠-氧化鉛全身動脈造影與多排螺旋CT（MDCT）掃描[5-7]。為獲得全身皮下血管網和各層次結構清晰的解剖圖像，尸體血管造影時，將尸體標本在水槽里懸浮進行灌注，避免局部受壓而灌注不到位[6]。CT掃描的技術參數因體型、部位及造影情況而異，根據預掃描調整到最清晰為準。

1.3 局部三維建模

應用Mimics工作站先行整個尸體的三維重建并保存，在此基礎上分割出頭頸、軀干、四肢等幾個部分，根據研究需要進一步分割，如大腿、小腿、足等，數據分別保存，加快三維可視化的速度，增加清晰度。然后，應用快速直接體繪制方法（volume rendering，VR），由淺至深，或由深至淺，對選定的部位進行連續三維重建，以顯示各部位主要穿支的位置及相互間的吻合情況。逐層重建時首先應用“mask”模塊的骨骼選項三維重建骨與血管（灰度值相似），然后通過拖動“volume rendering”水平軸及斜線上的滑塊改變灰度值，由淺至深（或由深至淺）進行三維可視化連續層次解剖。移動改變CT灰度值的滑塊，可隨時停留在任一層面，所做的層次解剖比傳統的層次解剖要精細得多，理論上是“無數層”。當需要對某一重要結構進行確認，或需要判斷某些結構的位置關系時，則將兩者重合，啟用三維導航錨（3D-Navigation Locator）予以確認與驗證。之后，利用該軟件中的其他工具：Tresholding、Region growing、Edit mask in 3D、Measurement等構建三維可視化模型[8]。重點觀察與顯示皮下血管網、穿支血管及其源動脈、淺層肌及肌間隔等。

2 結果

2.1 尸體血管造影3D可視化顯示

應用快速直接體繪制方法，可以非常清晰地顯示全身各部位穿支血管的位置與口徑以及相鄰穿支體區間的吻合情況，尤其是不減小口徑的真性吻合（圖1）。

2.2 連續層次三維解剖3D可視化顯示

重建的圖像可以清晰地分層顯示皮膚輪廓、皮下血管網、穿支血管（圖1，圖2A、B）、穿支源動脈和骨骼（圖2）。也可以清晰地顯示穿支的位置與口徑、穿支體區內皮下血管網的分布特征、穿支血管的走行方向及長度（圖2），穿支來源與分布范圍、及其毗鄰穿支體區間的相互關系等信息。

圖1 尸體局部皮下血管網（動脈）。

圖2 整尸標本一次性全身血管造影，右大腿連續層次三維重建解剖視圖（前面觀）。

3 討論

由于疊影的原因，一幅視圖難以同時顯示人體某部位的諸多層次結構，深層結構會被細密的皮下血管網遮擋而不能清晰地顯示。因此，要全面地了解某部位的完整信息，連續層次三維解剖是必要的。

3.1 三維重建的常用軟件與方法

三維重建的軟件很多，包括CT機自備軟件以及各種CTA數據的后處理系統，如3D Med、3D Slicer、Amira、3D doctor、Mimics等，一般而言，后處理系統的功能相對強大。通常使用Mimics軟件進行三維可視化連續層次解剖，主要方法有3種：

3.1.1 應用“mask”模塊中的Predefinded thresholds sets功能 由于其分層的主要依據是灰度值，而人體內有些組織結構在不同層面有廣泛分布，如筋膜，血管等。特別是經血管造影處理后，血管中造影劑的灰度值與骨密質相當。故此方法在MRI或血管造影前的CT掃描資料的三維重建效果不錯，而造影后的血管與骨骼就難以分別重建了。

3.1.2 模仿數字人三維重建的方法 在CT掃描的原始視圖上人工標識層次及主要結構，進行配準、分割與分類，然后三維重建。這樣得到的結果準確，但對設備、解剖學知識及電腦操作技術的要求高，難度極大，非常耗時[9]。適于基礎研究，不便于臨床推廣。

3.1.3 連續層次解剖 啟用Segmentation菜單，通過拖動“volume rendering”模塊中的水平軸及斜線上的滑塊改變灰度值，由淺至深（或由深至淺）進行快速3D可視化連續層次解剖。其特點是快速而精準，尤其是對經造影處理后的血管可自動配準，穿支與毗鄰結構清晰可辨，非常適合于術前皮瓣設計及術中導航。

基礎研究時，通常是多種方法并用，方可獲得層次分明、毗鄰結構清晰的三維立體視圖。而且還可對不同類型的組織進行透明、色彩調整、組合與裁剪等處理。如欲觀察某一血管體區之全貌，可點擊菜單中的“區域生長（region growing）”功能鍵，然后在原始數據的視圖中選定其血管干為生長原點，就能一次性自動配準與重建整個血管體區及其穿支體區，真實地顯示皮瓣設計與移植所需的穿支血管的解剖形態結構和實際分布范圍的大小[10-12]。本研究中采用第1和第3種方法對血管進行三維重建。

3.2 穿支血管的定位和選擇

與傳統皮瓣不同，穿支皮瓣的血管蒂剝離方式為逆向解剖[13]，即“從外周的穿支血管追蹤至源動脈”。所以，術者面臨的首要問題就是穿支血管的定位，以及如何選擇合適的穿支血管作為皮瓣的血管蒂。因而必須了解穿支的位置、行程與方向，以及穿支口徑等，這些信息均可以從CT血管造影圖像上獲得。為確保最佳的皮瓣血液灌注，穿支血管最好設計在皮瓣的中央部位[14-15]，其兩旁緊鄰的穿支體區均為動力學供區，皮瓣易于成活，4個穿支中P2為最佳血管蒂的選擇，圖1B中的P1、P2均可作為皮瓣的血管蒂。

但是，由于造影劑與影像捕捉時相等因素限制，活體血管造影通常僅能夠顯示比較粗大的穿支血管，難以清晰地顯示皮下組織血管網及穿支間的吻合情況，提供的信息有限，所以在穿支皮瓣術前設計過程中，CT血管造影僅能起到輔助參考作用。尸體的CT血管造影沒有上述限制，可為基礎研究提供更多有效信息。依皮瓣包含穿支體的數目可將穿支皮瓣分為2大類：① 單穿支皮瓣，類似于傳統的軸型皮瓣（如圖2B、C中的白色箭頭所示）；② 多穿支跨區皮瓣，有別于傳統的軸型皮瓣，如股前外側皮瓣，其供血動脈是旋股外側動脈降支，包含降支發出的多個穿支血管。如圖2B所示的皮瓣設計，以P2為蒂的多穿支跨區皮瓣包含了穿支P1、P2、P3和 P4。P2通過與其他穿支之間的真性血管吻合（圖2B中綠色箭頭所示），具備了攜帶多個相鄰連續穿支體的能力。因此，選擇粗大的穿支血管為蒂，盡可能保留穿支體之間的真性吻合，可以最大程度地避免皮瓣供血不足。血管造影后的連續層次三維解剖視圖可以為多穿支跨區皮瓣設計提供可靠的形態學依據，經過多例尸體解剖尋找到的同一區域的血管解剖特征規律可以為臨床醫生的皮瓣設計提供理論依據。

3.3 穿支皮瓣的切取范圍

為確保血運，皮瓣最好不要向一個方向跨越2個阻力血管區。如圖2所示，以P2為蒂，P1與P3均為其動力學供區，即解剖學供區加動力學供區，可得到包括3個穿支體的皮瓣。但如圖2B所示，P4與P3之間存在真性血管吻合，那么P2可得到P4作為潛力供區，以P2為蒂可以設計包括4個穿支體的皮瓣。股前外側區的單個穿支可切取皮瓣的解剖學供區為10 cm×6 cm，若加上鄰近的穿支體作為動力學供區，可得到20 cm×10 cm大小的皮瓣，若進一步將遠鄰的穿支體作為潛力供區，則可切取更大的皮瓣[16]。目前，尚缺乏公認的能預估1條特定穿支血管所能營養的最大皮瓣面積的客觀檢測手段，外科醫生可根據自己的經驗，結合現有的一些皮瓣血運監測手段，如吲哚菁綠血管造影技術（ICG angiography）等實時灌注成像技術，來預估皮瓣的安全切取范圍[17]。

3.4 應用解剖學要點

3.4.1 聯合取瓣應考慮其各自來源 在設計“多穿支跨區皮瓣”時，即便是在同一供區探測到多條較粗大的穿支，亦應考慮其各自來源，是否適合聯合取瓣。因為同源穿支體間存在明顯的血管吻合，而非同源穿支體間的血管不一定有吻合[1]，或者說幾乎沒有真性吻合。如前臂背側中、下1/3區是骨間后動脈與骨間前動脈背側穿支的交匯處，可能會存在多個穿支血管，但它們之間不一定存在明顯的吻合。因此，當背側跨區皮瓣達前臂遠端1/3部的時候，皮瓣部分壞死的概率增多[18]。所以，單純進行局部穿支定位是不夠的，還應了解相鄰穿支的吻合情況，并逆行追蹤其來源。

3.4.2 動脈分布的彼此互補（替代、互反）主要有2種情況 ①就同一區域而言，通常以某1條動脈供血為主，但是也有由另一動脈為主供血的現象。②就人體局部而言，其相鄰區域的動脈供血也有互反現象，如股前外側區與內側區的穿支分布，大多數是前外側區的穿支較粗大，但亦有相反的情況。如小腿后內側區與后外側區，常見腓腸內、外動脈穿支的互反。因此，臨床上可根據不同需要設計皮瓣，利用其互補性選擇最佳術式[19]。

3.4.3 尸體與活體血管造影可優勢互補 尸體血管造影的三維視圖可非常清晰地顯示全身各部位皮下血管網、相鄰穿支體間的吻合情況、尤其是真性吻合。但由于細密的皮下血管網遮擋，淺層肌及其營養血管難以顯示，而活體血管造影則可以清晰顯示上述結構。一方面由于活體造影劑對X線的遮擋效應相對較弱，另一方面活體血管中的造影劑隨血流快速流失。一旦血管中造影劑被稀釋后，小血管便無法被顯影，如局部皮下血管網，尤其是相鄰穿支體區間的choke血管吻合情況更無法顯影，而難以重建完整的血管體區。所以，活體造影不便于探索跨區穿支皮瓣的血流動力學特征及穿支分布規律等。尸體或殘肢標本的血管造影使用氧化鉛或氧化鉍等重金屬，密度大，對X線的吸收多，遮擋效應好。即便是細密的皮下血管網、choke血管等仍可清晰顯示。因而有利于展示完整的血管體區、穿支的分布范圍及毗鄰關系，以及choke血管的形態特征，可以了解更多的血管細節，更進一步深入探討跨區穿支皮瓣的血流動力學特征及穿支分布規律等。但也有不足之處：由于細密的皮下血管網遮擋，淺層肌及其營養血管等難以顯示。因此，尸體與活體血管造影兩者結合可獲得最佳結果。

CTA數據后處理軟件Mimics可以輕松而快速地創建精準的三維模型，執行特定的解剖分析。尤其是使用造影劑對血管進行標識后，可以自動識別、配準并分割出完整的血管體區，非常適于皮瓣外科的基礎研究、術前皮瓣設計與術中導航，值得探討與推廣。從單純的三維重建技術角度來講，所使用的每一種方法都不難，但將解剖學知識與臨床需要相結合，清晰展示了血管體區之間的相互關系，為設計跨區皮瓣提供了形態學基礎。