研究背景近年来,随着医学三维影像技术与计算机技术的发展并相互渗透,三维重建可视化仿真手术成为研究的热点。他是集医学、生物力学、机械力学及计算机图形学等学科的一个交叉性研究领域,其目的是应用计算机技术来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程,在医学中的应用范围也日益广阔。利用CT或MRI等图像数据进行三维可视化技术处理,构建出人体组织器官的解剖结构三维几何模型,医师可以对等感兴趣部位有明确的可视性并以三维形式“真实”地显示出来,立体地从各个角度观察和测量骨折部位解剖结构,准确地确定骨折的类型、几何形状以及与周围组织结构的空间关系,并可在三维模型上,利用虚拟现实技术进行术前规划和虚拟手术。虚拟现实是一门集成了人与信息的科学,其核心是由一些三维的交互式计算机生成的环境组成,其目的是通过人工合成的经历来表示信息。有了虚拟现实技术,复杂或抽象系统的概念的形成可以通过将系统的各子部件以某种方式表示成具有确切含义的符号而成为可能。虚拟手术是虚拟现实技术在外科手术上的应用。虚拟手术从医学图像数据出发,在计算机中模拟出人体组织器官模型,建立一个具有视、听、说、力、触、动等感觉的虚拟环境,通过各种传感设备使医生“沉浸”到该虚拟环境中,医生可以借助虚拟环境中的信息进行手术计划、手术训练,在实际手术过程中引导手术。虽然虚拟手术术前计划具有重大实用价值,但在创伤骨科临床应用并不广泛。主要是由于放射医学检查的图像如CT、MRI等在计算机上可读性不强,难以转化为三维图像；二是目前的数据库几乎没有中国人的创伤骨科相关体数据,具体应用操作存在实际差距,应用价值大打折扣。本研究对图像分割和三维重建的方法进行改进和完善,通过64排螺旋CT扫描所得的股骨骨折数据进行计算机程序图像分割和三维重建,并结合临床资料,进行各种常见的股骨骨折的可视化仿真手术应用研究。通过本研究,我们可以构造出能显示骨折部位结构的三维几何模型,将骨折部位的皮肤、肌肉和骨折段以三维形式“真实”地显示出来,即可视化。本研究的创新点是在空间中具有准确的骨折部位三维定位,可以立体地从各个角度观察骨折的解剖结构、测量各种数据,同时可以仿真骨折手术,并可以利用各种骨折患者的影像(CT、MRI等)扫描数据进行图像融合和更新,从而使外科医生可以在计算机上轻松地进行各种股骨骨折手术风险预测、个体化手术方案制定、手术过程仿真演练和临床示教等,以提高手术技能和手术的安全性,降低手术并发症。研究目的研究基于64排螺旋CT扫描数据的股骨及软组织三维重建的方法；在股骨及软组织三维模型的基础上建立股骨骨折手术模拟操作系统；基于股骨骨折手术操作系统,研究个体化的术前规划和虚拟手术在股骨骨折手术中的意义。方法1.基于64排螺旋CT扫描数据的股骨及软组织三维重建(1)研究对象：男性,47岁,身高1.71M,体重69KG。临床诊断：右侧股骨转子间骨折ⅠB型(Evans-Jensen分类)。男性,34岁,身高1.74M,体重66KG。临床诊断：左侧股骨髁上骨折C1型(AO分类)。(2)CT原始数据采集：数据采集设备为荷兰产PHILIPS Brilliance 64排螺旋CT。扫描条件：电压120KV,层厚0.625mm,矩阵512×512。图像后处理工作站为PHILIPS Brilliance 64排螺旋CT自带的Mxview工作站。对患者骨折部位进行平扫和动态CT增强薄层扫描,并采集CT薄层扫描数据刻录光盘备用。(3)图像分割和三维重建：先用DICOM查看软件将采集的CT数据DICOM格式转换为JPEG格式,再应用ACDSee 9.0软件把JPEG格式转换成BMP格式。应用Mimics 10.0医学图像处理系统进行图像的分割和三维重建。采用动态自适应区域生长的分割计算方法,首先在Mimics 10.0软件中设置目标组织的灰度阈值,根据目标组织灰度值的均一性程度来调整,然后在感兴趣区域选择一种子点作为初始点,分割出目标区域。感兴趣组织包括股骨、肌肉和皮肤等。将分割提取出来的各个组织的轮廓线(Contour line),采用轮廓拼接和三角面片方法重建出它们的三维模型,并以STL (Standard Template Library)格式的文件输出。将重建的STL图像文件导入到FreeForm Modeling System进行平滑和修饰。在FreeForm Modeling System中,使用‘’Select"键的功能,构建股骨三维的横切面、冠状剖面、矢状剖面模型。2.在股骨三维模型的基础上建立股骨骨折手术模拟操作系统(1)手术器械建模在UG4.0的建模模块中,利用建模模块中的特征操作和成型特征功能、以及采用草图功能,采用游标卡尺测量原始测量数据建模,以prt文件后缀保存。动力髋螺钉(dynamic hip screw,DHS)系统构建的器械有导针、导向器、DHS三联扩孔器、丝锥、钢板、螺钉等。AO微创内固定系统(less invasive stable system,LISS)系统构建的器械有套筒、锁钉、螺栓、螺钉等。LISS钢板和导向手板采用上海数造科技有限公司的3DSS双目系列三维光学扫描仪扫描获得。逆行髓内钉系统(GSH钉)需重建髓内钉、导向器、定位器、对线杆、导向杆以及螺钉等,所有的器械可根据需要进行程度不同的简化或渲染以满足不同要求。以上数据均以STL格式的文件输出。(手术器械均由上海synthes公司提供)(2)建立股骨骨折手术模拟操作系统本实验使用的股骨三维模型来自第一部分研究的成果。将股骨模型导入到FreeForm Modeling System中,包括：股骨各骨折段、皮肤及肌肉。然后把仿真的骨科手术器械模型导入到FreeForm Modeling System中,以备使用。3.基于股骨骨折手术模拟操作系统的股骨骨折内固定术前规划和虚拟手术本实验使用的股骨骨折手术模拟操作系统来自本课题第二部分研究的成果。(1)股骨转子间骨折术前规划和虚拟手术在FreeForm Modeling System中,启动股骨骨折手术操作系统。通过三维模型的透视、旋转和放大等方法观察各骨折段的空间关系。根据手术规划,选择合适的手术入路。根据骨折移位情况,设计复位方法。复位后采用DHS进行虚拟内固定手术。(2)股骨远端骨折术前规划和虚拟手术在FreeForm Modeling System中,启动股骨骨折手术操作系统。通过三维模型的透视、旋转和放大等方法观察各骨折段的空间关系。根据手术规划,选择合适的手术入路。根据骨折移位情况,设计复位方法。复位后采用LISS及GHS钉进行虚拟内固定手术。结果1.数据采集的结果用于分割和三维重建的股骨64排螺旋CT薄层扫描数据集：股骨转子间骨折获得457层CT扫描图像,数据共332MB；股骨远端髁上骨折获得431层CT扫描图像,数据共479MB。2.三维重建的结果两个研究对象的图像分割数据经过医学图像处理软件Mimics10.0的三维重建和经过FreeForm Modeling System的光滑、微细加工后,骨折段以及周围肌肉和皮肤的三维模型效果清晰、逼真、立体感强,可以从不同角度放大、缩小、和全方位旋转、透视进行观察骨折段之间与周围皮肤和肌肉的三维结构关系。在三维模型上,我们还可以发现很多CT图像上无法显示的重要信息。例如,各骨折段之间的立体解剖关系。通过这些重要的信息,可以指导我们在手术前进行手术风险评价、复位情况评估。3.建立股骨内固定手术模拟操作系统的结果建立的股骨骨折手术操作模型与实际的股骨结构非常相似,各个骨折段以及它们的皮肤肌肉等组织形态逼真、立体。构建的内固定手术器械模型是三维结构,非常逼真。通过PHANTOM可以随意操纵手术器械进行手术操作。在股骨骨折虚拟手术系统中,操作者可以随意操纵手术器械,模拟切割、钻孔、插入与缝合等动作。在手术操作过程中,操作者能够获得一定程度的实际手术中的手感,即有力度的感觉。利用建立的虚拟手术环境,通过操纵手术器械,能够模拟内固定手术的操作过程,包括手术切割,内固定器械的组装,钢板和髓内钉的植入和螺丝的拧入等。骨折内固定手术得到准确的模拟,有很强的真实感和临场感。系统备有“撤销”按键,操作者可以随时返回纠正错误,也可重复练习。4.股骨骨折的术前规划和仿真手术根据设计的手术入路,各个手术采取相应的手术方案。在骨折手术操作系统中,虚拟了股骨近端动力髋螺钉手术手术过程,LISS钢板手术及逆行髓内钉手术。在FreeForm Modeling System中,建立的虚拟手术环境具有很强的沉浸感、交互性和力反馈功能。使用力反馈设备PHANTOM操纵仿真手术器械,模拟了内固定的整个手术过程；手术过程三维可视化；手术过程真实,且能有“力”的感受。探索了虚拟手术在骨折治疗中一般流程及关键问题,建立了部分骨科器械三维模型库与骨折三维模型。建立了骨科虚拟手术的流程,评估了虚拟手术在临床中应用的优势与不足。结论1.我们应用医学图像处理系统Mimics10.0,可以从输入序列断层图像到生成三维模型的许多环节上进行质量控制,可以对二维图像进行编辑和形态学操作,可以通过设置三维重建的参数控制模型重建质量,直接在三维视图编辑二维图像,设置优化参数优化模型网格,从而获得骨折解剖结构精确而平滑的三维模型。股骨模型三维可视化能够为临床医生提供精确的三维结构信息,有助于疾病的正确诊断和病情的正确评估。股骨三维可视化模型可作为医学人体解剖教学的工具。本研究基于三维图形技术重建骨折三维模型,可以输出多种三维软件通用的格式,以供后继的计算机辅助设计、有限元分析、虚拟现实以及计算机辅助外科计划研究使用。2.建立的股骨骨折手术模拟操作系统与真实的手术环境非常相似。在建立的虚拟手术环境中,操作者可以随意操纵内固定器械进行切割、钻孔、插入与缝合等模拟训练,具有很强的真实感、沉浸感和临场感。在它上面进行骨科手术技能的模拟训练,年轻和经验不多的骨科医生可以进行骨科技术的虚拟仿真训练。3.在股骨骨折手术模拟操作系统上,可以进行骨折内固定的术前规划和虚拟手术。手术规划可以确立最佳的手术入路,减小手术出血和手术损伤；可以掌握骨折复位前后各骨折块的位置、尺寸、翻转角度及骨折线走向,有助于更好的骨折复位；有助于制定手术治疗策略及手术方式,提前选择合适的内固定器械,明确内置物的长度、方向。手术前的反复虚拟手术演练可以让手术中的配合更加娴熟,大大缩短了手术时间,提高手术的成功率,降低手术并发症,提供解剖教学和手术训练的平台,并可作为医患沟通的桥梁。