專利名稱：數(shù)字化虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字化虛擬人體器官的構(gòu)建方法，尤其是涉及一種數(shù)字化 虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字化虛擬技術(shù)已成為生命科學(xué)與信息科學(xué)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問題。自1989 年美國國家醫(yī)學(xué)圖書館首先提出了"可視化人體計(jì)劃(Visible Human Project, VHP)"以來，先后有韓國、日本等多個國家也提出了類似的研究計(jì)劃。數(shù)字化 虛擬人體是指將人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)，在電腦屏 幕上出現(xiàn)一個看似真實(shí)的模擬人體。目前，國內(nèi)外對"虛擬人"的研究處于"虛擬 可視人"階段，也可稱為"虛擬解剖人"或"虛擬幾何人"，目標(biāo)是虛擬出人體的形 態(tài)結(jié)構(gòu)。世界各國包括我國在內(nèi)對"虛擬人"發(fā)展的基礎(chǔ)框架是以切片圖像數(shù)據(jù) 集為主。
關(guān)于人手部解剖結(jié)構(gòu)的三維重建及其相應(yīng)的研究報(bào)道較少。國內(nèi)左煥琛于 1986年首次報(bào)道將電子計(jì)算機(jī)三維用于手解剖研究(左煥琛.電于計(jì)算機(jī)三維 重建用于手解剖研究的初步探討[J].解剖學(xué)雜志，1986， 9(6):237-24.)，采用的 方法是取新鮮成人手標(biāo)本，在前臂經(jīng)橈尺動脈灌注25%紅色明膠溶液，將低 溫冰凍處理的標(biāo)本用電鋸作等距橫斷切割(每2-3mm)，斷面攝影，然后計(jì)算 機(jī)處理。左煥琛僅對食指的外形、掌骨基底部及腕骨進(jìn)行了三維重建，而且重 建的圖像非常粗糙。張紹祥等于1989年報(bào)道了手掌部動脈的微型計(jì)算機(jī)三維重 建(張紹祥，何光篪，劉正津.手掌部動脈的微型計(jì)算機(jī)三維重建及其臨床意義 [J].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，1989， 11(6): 409-411.)，采用的方法是取成人上肢 標(biāo)木，經(jīng)肱動脈灌注含30%紅色氧化鉛的乳膠，低溫冰凍，電鋸切割，斷面攝 影，然后計(jì)算機(jī)處理。張紹祥等僅是對手掌部動脈的三維重建，重建的圖像也 欠精確逼真。白桂有等于2005年報(bào)道了手掌部分解剖結(jié)構(gòu)可視化的初步研究
(白桂有，張正治，熊雁，等.手掌部分解剖結(jié)構(gòu)可視化的初步研究[J].中國臨 床解剖學(xué)雜志，2005， 23(3): 227-229.)，處理的對象仍然是冰凍組織塊，但采 用了高精確度的數(shù)控銑床，將銑切的層厚設(shè)定為0.2mm，在圖像采集上采用了 630萬像素的數(shù)碼相機(jī)，并采用國內(nèi)自行開發(fā)的三維重建軟件進(jìn)行三維重建。 白桂有等僅是對手部的骨骼、指屈肌腱及手的外形進(jìn)行了三維重建，在方法上 仍是沿用前人的思路，只是借助了現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，從而在組織切片的工 藝、圖像采集的技術(shù)及重建的精確性等方面都較早期研究有較大的改善。
關(guān)于切片數(shù)據(jù)集的構(gòu)建，從理論上講，將人體材料切削得越薄越好，因?yàn)?切片間距的精度越高，將來賦加的信息參數(shù)就越精細(xì)，能表達(dá)的信息量就越大。 尤其是對于一些體積較小、精度要求較高的部位，有更薄的切削要求。但是， 就現(xiàn)有的機(jī)械切削加工的科技水平而言，切片間距最小極限是0.2mm;而且， 切削的精度越高，圖像采集的數(shù)據(jù)存儲量越大，要配備的計(jì)算機(jī)等級就越高。 韓國于2000年報(bào)道的一例男性尸體的切片工作，其切片間距為0.2mm，數(shù)據(jù) 量已達(dá)153.7GB，在一般個人計(jì)算機(jī)上已不能運(yùn)轉(zhuǎn)。如果切得再薄一些，則后 續(xù)的開發(fā)應(yīng)用只能局限在少數(shù)具有海量存儲和超高速運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)才有可 能運(yùn)轉(zhuǎn)。前述白桂有等的報(bào)道中，僅采集手掌部分解剖結(jié)構(gòu)，獲得了 1200幅切 斷層圖像數(shù)據(jù)，每個層面圖像的數(shù)據(jù)量已達(dá)31.5M。這使得科研成果難以普及 推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字化虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，將臨床常 用的二維圖像轉(zhuǎn)化為三維圖像，有助于進(jìn)一步完善對人手結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，為臨床 診斷、治療方案的制定、手術(shù)相關(guān)操作等提供科學(xué)的依據(jù)。
本發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，包括以下步驟
A. 標(biāo)木選取與預(yù)處理取新鮮健康成年人手標(biāo)本3具，保留腕關(guān)節(jié)，標(biāo) 本應(yīng)無器質(zhì)性損害，其主要解剖學(xué)參數(shù)具有代表性；將標(biāo)本近端尺、橈動脈游 離后，予5%枸櫞酸鈉生理鹽水沖洗血管，直至流出液體較清澈、標(biāo)本呈蒼白 色為止；
B. 標(biāo)本灌注采用自凝牙托材料作為灌注材料，其中造影劑為硫化汞；
以連續(xù)緩慢的方式灌注入標(biāo)本尺、橈動脈中，同時(shí)觀察手指手掌的皮膚，當(dāng)能 看到填充劑的顏色時(shí)，灌注量約為15~20m，即可停止灌注，冷藏備用。
C. CT掃描獲取數(shù)據(jù)集標(biāo)本灌注4 24小時(shí)內(nèi)，進(jìn)行CT掃描，掃描參數(shù) 電壓120kv(千伏)，電流250mAs (毫安秒)，層厚lmm，陣距512x512;共獲 取220層數(shù)據(jù)，以CT掃描的通用文件格式保存，數(shù)據(jù)容量共計(jì)IIO兆比特；
D. 在普通個人計(jì)算機(jī)平臺上以比利時(shí)Materalise公司開發(fā)的Mimics軟件 進(jìn)行手的三維可視化重建，包括以下幾個方面
a、 手外形的三維重建重建手的外形，包括手掌、手指皮膚、各手指 指甲，重建后的各結(jié)構(gòu)能單獨(dú)、聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)，模型可透視及多剖面 顯示；
b、 骨骼的三維重建重建指骨、掌骨、腕骨及尺橈骨遠(yuǎn)端，重建后的 骨骼能單獨(dú)顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)，模型可透視及多剖面顯 示，各骨關(guān)節(jié)外觀、毗鄰關(guān)系清楚準(zhǔn)確；
C、手的動脈三維重建重建手部主要動脈橈動脈和尺動脈，以及骨間 前動脈和骨間后動脈的分支補(bǔ)充，包括管徑約0.5mm的指末節(jié)血管，能清晰顯
示以下重要結(jié)構(gòu)橈動脈，尺動脈，腕掌、背側(cè)動脈(弓)網(wǎng)，手掌淺、深弓， 指固有動脈；重建后的動脈能單獨(dú)顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)， 模型可透視及多剖面顯示，各動脈外觀、毗鄰關(guān)系清楚準(zhǔn)確；
d、手部肌腱的三維重建重建指屈肌腱、指伸肌腱，從不同平面能顯 示肌腱的位置、排列、層次及毗鄰關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，所述的步驟A中， 標(biāo)木在預(yù)處理前先經(jīng)CT掃描。經(jīng)過CT掃描，可預(yù)先證實(shí)是否存在骨折、腫 瘤、先天畸形及結(jié)構(gòu)缺如等情況，選取具有正常人體應(yīng)具有的解剖結(jié)構(gòu)的標(biāo)本 來進(jìn)行三維重建。
根據(jù)本發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，所述的步驟B中的 灌注材料優(yōu)選的成分包括自凝牙托粉30 35g，自凝牙托水65~70g，鄰苯二 甲酸二丁酯30ml，中國銀朱10 15g;所述灌注材料的配制方法為在常溫下 將自凝牙托水，鄰苯二甲酸二丁酯及中國銀朱混合，再加入自凝牙托粉，充分 攪拌混合均勻后即刻灌注。
本發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，具有以下的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
(1) 首次對手的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的數(shù)字化三維重建，將臨床常用的二 維圖像轉(zhuǎn)化為三維圖像，可以針對臨床?？频男枨?，把結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能意義重 大、診治要求精確的部位，構(gòu)建數(shù)字化模型，為臨床診斷、治療方案的制定、 手術(shù)相關(guān)操作等提供科學(xué)的依據(jù)。
(2) 目前臨床上病例圖像數(shù)據(jù)仍以CT/MRI為主，而可視化人體研究以切 片圖像數(shù)據(jù)集為主，由于受到切割設(shè)備、方法等條件的限制，嚴(yán)重制約了其臨 床推廣應(yīng)用。本發(fā)明采用灌注造影劑后通過CT掃描技術(shù)采集圖像，并應(yīng)用 Mimics軟件進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、分割、標(biāo)識、重建，可得到精確逼真的重建圖像， 此方法在臨床上具有可操作性。CT/MRI三維重建方法木質(zhì)上是圖像渲染技術(shù)， 完全依賴于工作站，不能導(dǎo)出通用格式三維文件，因而制約了應(yīng)用范圍。木發(fā) 明不再停留于解剖結(jié)構(gòu)的重建，更重要的是解決如何應(yīng)用重建后的結(jié)構(gòu)解決臨 床實(shí)際問題。Mimics軟件可以在PC機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，對二維 圖像進(jìn)行編輯，并可將工程文件以不同形式的格式導(dǎo)出，利于后期臨床與研究。 其Simulation (模擬)模塊的Cut (切割工具)，Boolean (布爾運(yùn)算)等工具對 三維圖像進(jìn)行任意切割，加減等運(yùn)算，從而得到不同曲面的三維圖像，這些特 點(diǎn)具有極大的基礎(chǔ)與臨床研究價(jià)值。
(3) 本發(fā)明采用的Mimics軟件(目前版木是10.01版)是基于臨床醫(yī)學(xué) 影像學(xué)的逆向工程軟件和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，具有良好的圖像編輯功能。其 重建的結(jié)構(gòu)具有各結(jié)構(gòu)可單獨(dú)、聯(lián)合顯示，可任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型透視及多 剖面顯示等特點(diǎn)。手掌及手指皮紋清晰逼真、各結(jié)構(gòu)可透視顯示通過上述標(biāo)志 特點(diǎn)可確定手部有關(guān)解間結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系和某些深部重要結(jié)構(gòu)的體表投影，此 方法較傳統(tǒng)實(shí)地解剖方法簡便直觀?？梢詮牟煌矫骘@示肌腱的位置、排列、 層次及毗鄰關(guān)系?？蓪θ鐦锕浅咂恰⒄苾A角、腕骨角、尺骨莖突長度等骨性 結(jié)構(gòu)及角度進(jìn)行測量。上述特點(diǎn)在臨床上具有指導(dǎo)作用。對于重建的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 予.mcs， .iges及.stl等通用格式文件保存，后續(xù)可通過Mimics軟件FEA (有限 元分析)，Simulation (模擬)等模塊或聯(lián)合其他工程軟件作進(jìn)一步深入研究。
(4) 細(xì)小血管的標(biāo)識及三維重建是數(shù)字化技術(shù)中的一個難題，VCH F-l(數(shù) 字化虛擬中國人女性-1號)中標(biāo)識的血管最小內(nèi)徑為0.77mm (秦篤烈，羅述
謙，鐘世鎮(zhèn)，等.數(shù)字化虛擬中國人女性-l(VCHF-l)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集血管標(biāo)識的突 破進(jìn)展[J].科學(xué)中國人，2003,(4): 4-8.)。而本發(fā)明采用中國銀朱作為染色及遮 光劑，其顆粒直徑約為40nm，能到達(dá)較微細(xì)的血管內(nèi)，灌注掃描后可顯示直 徑為0.52mm的血管，可清晰顯示重建后指末節(jié)血管，手部主要動脈管腔可中 空顯示，中空效果可使圖像更為逼真，顯示更為精確。
(5) 在數(shù)字化虛擬人體的研究中，血管灌注是尚未解決的問題之一。如前 所述，左煥琛采用紅色明膠溶液作為血管灌注材料，張紹祥采用紅色乳膠作為 血管灌注材料，這些都是目前血管灌注的常用方法。但本發(fā)明對灌注材料進(jìn)行 了改良，優(yōu)選采用自凝牙托材料作為血管灌注材料，在成分上延長了聚合反應(yīng) 成型的時(shí)間，配制后在30分鐘內(nèi)仍具有較好的流動性，可以從容地灌注手部肢 體；經(jīng)灌注后的標(biāo)木，細(xì)微血管清晰可見，中等血管有一定的剛性支撐力，便 于解剖深層結(jié)構(gòu)。
(6) 如前所書，目前國內(nèi)外研究均是對冰凍組織進(jìn)行研究，而木發(fā)明則強(qiáng) 調(diào)對標(biāo)木灌注后不予冰凍，最好于4-24小時(shí)內(nèi)完成掃描，由此達(dá)到極好的血管 中空顯示效果，圖像更為逼真，顯示更為精確。血管中空顯示效果與血管灌注 的流體力學(xué)所產(chǎn)生的軸流及邊流及懸液沉著附壁相關(guān)，對于部分中空顯示欠佳 的部位，則可采用Mimics軟件的Segmentation (分割)模塊手動調(diào)整灰度進(jìn)行 圖像分割標(biāo)識(Edit mask/Multiple Slice Edit,遮掩層編輯/多層編輯)后期處理 亦可解決?，F(xiàn)有研究中，尚無對血管中空顯示效果的研究報(bào)道。而木發(fā)明所實(shí) 現(xiàn)的手部主要動脈管腔的中空顯示，在不同切面下可反映出血管切割缺如特征， 為臨床預(yù)構(gòu)手術(shù)程序、手術(shù)過程中血管取舍，吻合的先后次序的提供依據(jù)。
(7) 根據(jù)木發(fā)明的優(yōu)選方案，即在所述的步驟A中，標(biāo)木在預(yù)處理前先 經(jīng)CT掃描。經(jīng)過CT掃描，可預(yù)先證實(shí)是否存在骨折、腫瘤、先天畸形及結(jié) 構(gòu)缺如等情況，選取具有正常人體應(yīng)具有的解剖結(jié)構(gòu)的標(biāo)本來進(jìn)行三維重建。 以往對標(biāo)本的選取僅通過肉眼觀察是否有器質(zhì)病變，因而不能準(zhǔn)確地了解標(biāo)本 內(nèi)部情況。而木發(fā)明采用CT預(yù)掃，則可以進(jìn)清楚地對標(biāo)本進(jìn)行評估。
(8) 以往研究中處理醫(yī)學(xué)圖像的軟件往往依賴于較大型的工作站或計(jì)算 機(jī)，而本發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，在PC機(jī)平臺上即可 完成大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理；而且，三維重建圖像的效果也達(dá)到了大型計(jì)算機(jī)處
理的效果。已有報(bào)道的軟件重建的圖形逼真顯示欠佳、圖形放大后出現(xiàn)多面體 網(wǎng)格形狀，甚至失真。而本發(fā)明采用Mimics軟件通過對提取的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行腐 蝕、膨脹、開運(yùn)算和閉運(yùn)算，最大限度降低噪聲，重建后的圖形精確，顯示逼 真，重要結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)再現(xiàn)，細(xì)節(jié)也較突出。因此，可以讓數(shù)量更多的醫(yī)院和院校 都有可能開發(fā)應(yīng)用，使科研成果具有普及推廣應(yīng)用的可能性，真正造福于廣大 人民群眾。
(9)手外傷是臨床上常見的疾病，本發(fā)明對于虛擬手模型的建立，有助于 進(jìn)一步完善對手部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，為臨床診斷、治療方案的制定、手術(shù)相關(guān)操作 及疾病基礎(chǔ)研究等提供科學(xué)的依據(jù)?？梢越鉀Q手外傷治療前預(yù)構(gòu)手術(shù)程序、手 術(shù)過程中血管取舍，吻合的先后次序及骨骼、神經(jīng)、肌腱修復(fù)及功能重建等諸 多問題，同時(shí)更為下一步虛擬物理手的研究奠定基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)對未來事件進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)以及對現(xiàn)存病例進(jìn)行反演試驗(yàn)研究。運(yùn)用木發(fā)明所述的數(shù)字化虛擬手，可 加速醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用的現(xiàn)代化。以手部修復(fù)手術(shù)為例，可設(shè)定各種虛擬環(huán) 境，在有關(guān)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行"漫游"，也可進(jìn)行介入的微創(chuàng)手術(shù)模擬；基于圖像導(dǎo) 航的外科手術(shù)，提高術(shù)前準(zhǔn)備工作的質(zhì)量與手術(shù)的安全性和成功率；可為各種 手術(shù)預(yù)期結(jié)構(gòu)做出虛擬模型。


利用Mimics軟件重建手的外形，其手掌、指皮膚，各指指甲顯示逼真，
手掌及手指皮紋清晰可辨，各結(jié)構(gòu)可單獨(dú)、聯(lián)合顯示，可任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模
型透視及多剖面顯示(圖l:a-f)。
圖l.a為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的外形圖，顯示手的背面； 圖l.b為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的外形圖，顯示手的掌面； 圖l.c為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的外形圖，顯示手的背面，
以及透視效果，顯示血管和肌腱；
圖l.d為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的外形圖，顯示手的掌面，
以及透視效果，顯示血管和肌腱；
圖l.e為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的掌面視圖，從手的掌面
顯示骨骼、血管和肌腱聯(lián)合顯示的效果；
圖l.f為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的背面視圖，從手的掌面 顯示骨骼、血管和肌腱聯(lián)合顯示的效果；
圖2.a為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的背面顯 示骨骼結(jié)構(gòu)；
圖2.b為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的掌面顯 示骨骼結(jié)構(gòu)；
圖3.a為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的背面顯 示血管結(jié)構(gòu)；
圖3.b為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的掌面顯 示血管結(jié)構(gòu)；
圖3.c為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的背面顯 示所構(gòu)建的血管中空效果；
圖3.d為圖3.a的側(cè)面視圖，從另一角度顯示所構(gòu)建的血管中空效果；
圖3.e為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的掌面顯 示所構(gòu)建的血管中空效果；
圖3.f為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的背面顯 示所構(gòu)建的骨骼與血管聯(lián)合顯示的效果；
圖3.g為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的掌面顯 示所構(gòu)建的骨骼與血管聯(lián)合顯示的效果；
圖4.a為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的掌面顯 示所構(gòu)建的深淺屈肌腱與骨骼聯(lián)合顯示的效果；
圖4.b為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的掌面顯 示所構(gòu)建的指深屈肌腱與骨骼聯(lián)合顯示的效果；
圖5為本發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的透視圖，從手的背面顯示 所構(gòu)建的指伸肌腱與骨骼聯(lián)合顯示的效果；
圖6為木發(fā)明所述的構(gòu)建方法三維重建后的手的骨骼圖形，從手的背面顯 示手骨性結(jié)構(gòu)長度、角度測量顯示的效果。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例數(shù)字化虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建 1材料與方法 1.1標(biāo)本選取與預(yù)處理
取新鮮健康成年人手標(biāo)本3具(保留腕關(guān)節(jié))，標(biāo)本應(yīng)無器質(zhì)性損害(處理 前CT掃描)，其主要解剖學(xué)參數(shù)具有代表性。將標(biāo)本近端尺、橈動脈游離后， 予5%枸櫞酸鈉生理鹽水沖洗血管，直至流出液體較清澈、標(biāo)木呈蒼白色為止。
1.2標(biāo)本灌注
1.2.1灌注材料
本實(shí)驗(yàn)采用自凝牙托材料進(jìn)行制作，造影劑為硫化汞。其配方為自凝牙 托粉30 35g，自凝牙托水65 70g，鄰苯二甲酸二丁酯30ml，中國銀朱(含硫化 汞成份)10~15g，以上材料均可在市面上購得。
1.2.2灌注方法
在常溫下將自凝牙托水，鄰苯二甲酸二丁酯及中國銀朱混合,再加入自凝牙 托粉,充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝蠹纯坦嘧?。采?0ml醫(yī)用一次性塑料注射器灌注， 連續(xù)緩慢的方式注入標(biāo)木尺、橈動脈中，同時(shí)觀察手指手掌的皮膚，當(dāng)能看到 填充劑的顏色時(shí)，即可停止灌注，灌注量約為15~20ml。
1.3 CT掃描獲取數(shù)據(jù)集
標(biāo)本灌注冷藏4 24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行CT掃描。采用TOSHIBA Aquilion (東芝) 螺旋CT掃描，掃描參數(shù)電壓120kv(千伏)，電流250mAs (毫安秒)，層厚 lmm，陣距512x512;共獲取220層數(shù)據(jù)，將其以.dicom ( CT掃描后保存的通 用文件格式)格式保存，每個文件大小為514Kbyte (千比特)，整理數(shù)據(jù)集,數(shù) 據(jù)容量共計(jì)110Mbyte (兆比特)。
1.4三維可視化
1.4.1工作平臺
C2D2.53G處理器，2GDDR內(nèi)存，9300GE顯卡，160G硬盤；Mimicsl0.01 軟件(Materalise公司，比利時(shí))。 1.4.2重建步聚 1.4.2.1導(dǎo)入文件
以自動導(dǎo)入的形式將獲取的CT數(shù)據(jù)集導(dǎo)入Mimics(Materiaise's interactive
medical image control system,交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng))10.01軟件，設(shè)定參 數(shù)Skip Images-O(計(jì)數(shù)圖像)，Compression=CT(壓縮方式)，Slice distance= 1.0mm
(層厚)，Pixel size=0.2"0mm (像素值)，確定圖像位置(A， P， T， B， L， R)(方位表達(dá)Anterior前,Posterior后，Top上，Bottom下/底,Left左,Right右)。 1.4.2.2提取灰度值
應(yīng)用Segmentation (分割)模塊的Thresholding (閾值)工具提取指定灰度 范圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)集構(gòu)成一個Mask, 提取手骨骼、血管Mask (遮掩)層(參數(shù) Name=Green， Lower threshold(Hu)(最低閾值，Hu為CT值的縮寫，中文名為 豪斯菲爾德)=329， Higher threshold(Hu)=2305 (最高閾值))。
1.4.2.3分割與標(biāo)識
運(yùn)用Edit Masks (遮掩層編輯)，Multiple Slice Edit (多層編輯)工具逐層 進(jìn)行編輯，分割骨骼與血管，使兩者數(shù)據(jù)點(diǎn)無交集。利用Region Growing (區(qū) 域生成工具)及Dynamic Region Growing (選定區(qū)域生成工具)工具為骨骼建 立新的 Mask 層 (Name=bone ， Lower threshold(Hu)=329 ， Higher threshold(Hu)=2305)，應(yīng)用Boolean Operations (布爾運(yùn)算)工具對上述兩個 Mask層進(jìn)行一次運(yùn)算(Green-bone)，得到新的Mask(Name=vessel)。再次運(yùn)用 Edit Masks (遮掩層編輯)，Multiple Slice Edit (多層編輯)工具對部分尚不能 中空顯示的血管進(jìn)行處理。依同樣方法建立手皮膚、指甲、肌腱的Mask層。
1.4.2.4重建仿真
應(yīng)用Calculate 3D (三維生成)工具對已提取的各Mask層進(jìn)行三維重建轉(zhuǎn) 化，可單獨(dú)轉(zhuǎn)化也可批量轉(zhuǎn)化。參數(shù)設(shè)置Quality(品質(zhì))=High(高)，Interpolation method=Contour (方法=輪廓線)，Prefer=Continuity (特征=連續(xù)性)，Largest shells=l， Smoothing(Iterations=2， Smooth factor=0.5)(平滑工具(重復(fù)指數(shù) =2， 平滑指數(shù)=0.5))， Triangle reduction(Reducing mode=Advanced edge ， Tolerance=0.05， Edge angle=10.0)(三角網(wǎng)格簡化(簡化模式=高級加邊，耐受 值=0.05，邊角=10.0))。對生成的三維圖像依解剖學(xué)標(biāo)識方法進(jìn)行渲染。對于 神經(jīng)的重建，可以依據(jù)正常人體解剖學(xué)知識及CT圖像上的細(xì)微差別進(jìn)行手工 分割標(biāo)識，應(yīng)用Measure Distance (測量距離)工具測量其直徑，并利用Tools 模塊中的Draw/Manipulate Nerve(神經(jīng)繪制)工具處理，設(shè)置參數(shù)Color-Yellow,
Diameter=0.5~7.0mm (顏色=黃，直徑=0.5~7.0毫米)。 1.4.2.5平滑處理
為使重建后的三維結(jié)構(gòu)更為逼真精確，利用Simulation (模擬)模塊的 Smoothing (平滑)工具(Iteration=12， Smooth factor=l)(平滑工具(重復(fù)指 數(shù)=12，平滑指數(shù)=1))對重建的三維模型進(jìn)行平滑處理。
1.4.2.6文件保存
將生成的文件保存為Mimics軟件工程格式.mcs，亦可將工程以.iges及.stl 等3D通用格式文件導(dǎo)出以備后續(xù)研究使用。(.mcs， .iges， .stl為三維文件保存 格式)
2結(jié)果
2.1手外形的三維重建
利用Mimics軟件重建手的外形，其手掌、指皮膚，各指指甲顯示逼真， 手掌及手指皮紋清晰可辨，各結(jié)構(gòu)可單獨(dú)、聯(lián)合顯示，可任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模 型透視及多剖面顯示(圖l:a-f)。
2.2骨骼的三維重建
重建指骨、掌骨、腕骨及尺橈骨遠(yuǎn)端，骨骼可單獨(dú)顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合 顯示，可任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型透視及多剖面顯示，各骨關(guān)節(jié)外觀、毗鄰關(guān)系 清楚準(zhǔn)確(圖2)?？蓪θ鐦锕浅咂恰⒄苾A角、腕骨角、尺骨莖突長度等骨性結(jié) 構(gòu)及角度進(jìn)行測量(圖6)。
2.3手的動脈三維重建
手部動脈主要發(fā)自橈動脈和尺動脈，并有骨間前動脈和骨間后動脈的分支 補(bǔ)充。從三維重建圖像可以清晰顯示橈動脈，尺動脈，腕掌、背側(cè)動脈(3) 網(wǎng)，手掌淺、深弓，指固有動脈等重要結(jié)構(gòu)，從三維圖像矢狀剖面可以觀察到 掌深層動脈(弓)在手部動脈層次中居中間聯(lián)系位置，為橋接及樞紐，與淺層 和背側(cè)動脈間均形成豐富的吻合。三維重建后的動脈可單獨(dú)顯示或與其他結(jié)構(gòu) 聯(lián)合顯示，可任意旋轉(zhuǎn)，模型可透視及多剖面顯示，各動脈外觀、毗鄰關(guān)系清 楚準(zhǔn)確。手部主要動脈管腔可中空顯示較為逼真，在不同切面下可反映出血管 切割缺如特征。指末節(jié)血管官腔(管徑約0.5mm)顯示亦清晰可辨(圖3a-g)。
2.4手部肌腱的三維重建
2.4.1指屈肌腱
三維重建圖像上可以清楚地觀顯示4條指淺屈肌建，4條指深屈肌腱和1 條拇長屈肌腱，各肌腱沿各手指的方向呈扇形散開，彼此互不相連，指淺、深 肌腱伴行，指淺屈肌腱在近節(jié)指骨處包繞指深屈肌腱，繼而向遠(yuǎn)側(cè)分成兩股， 附于中節(jié)指骨的兩側(cè)緣，而指深屈肌腱剛止于末節(jié)指骨基底的掌面。從不同平 面可以顯示肌腱的位置、排列、層次及毗鄰關(guān)系(圖4A-B)。
2.4.2指伸肌腱
重建指伸肌腱主要包括拇長伸肌腱、拇短伸肌腱、指總伸肌腱、示指固有 伸肌腱和小指固有伸指肌腱，從重建圖像可以顯示出腕部后各腱分開進(jìn)入手背， 分別走向各指，止于各指指骨背側(cè)(圖5)。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字化虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟A. 標(biāo)本選取與預(yù)處理取新鮮健康成年人手標(biāo)本3具，保留腕關(guān)節(jié)，標(biāo)本應(yīng)無器質(zhì)性損害，其主要解剖學(xué)參數(shù)具有代表性；將標(biāo)本近端尺、橈動脈游離后，予5％枸櫞酸鈉生理鹽水沖洗血管，直至流出液體較清澈、標(biāo)本呈蒼白色為止；B. 標(biāo)本灌注采用自凝牙托材料作為灌注材料，其中造影劑為硫化汞；以連續(xù)緩慢的方式灌注入標(biāo)本尺、橈動脈中，同時(shí)觀察手指手掌的皮膚，當(dāng)能看到填充劑的顏色時(shí)，即可停止灌注，灌注量為15～20ml，給予冷藏。C. CT掃描獲取數(shù)據(jù)集標(biāo)本灌注4～24小時(shí)內(nèi)，采用四排螺旋CT機(jī)進(jìn)行掃描，掃描參數(shù)電壓120kv，電流250mAs，層厚1mm，陣距512×512；共獲取220層數(shù)據(jù)，以CT掃描的通用文件格式保存，數(shù)據(jù)容量共計(jì)110兆比特；D. 在普通個人計(jì)算機(jī)平臺上以比利時(shí)Materalise公司開發(fā)的Mimics軟件進(jìn)行手的三維可視化重建，包括以下幾個方面a、手外形的三維重建重建手的外形，包括手掌、手指皮膚、各手指指甲，重建后的各結(jié)構(gòu)能單獨(dú)、聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型可透視及多剖面顯示；b、骨骼的三維重建重建指骨、掌骨、腕骨及尺橈骨遠(yuǎn)端，重建后的骨骼能單獨(dú)顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)、縮放，模型可透視及多剖面顯示，各骨關(guān)節(jié)外觀、毗鄰關(guān)系清楚準(zhǔn)確；c、手的動脈三維重建重建手部主要動脈橈動脈和尺動脈，以及骨間前動脈和骨間后動脈的分支補(bǔ)充，包括管徑約0.5mm的指末節(jié)血管網(wǎng)，能清晰顯示以下重要結(jié)構(gòu)橈動脈，尺動脈，腕掌、背側(cè)動脈(弓)網(wǎng)，手掌淺、深弓，指固有動脈，血管管腔清晰逼真；重建后的動脈能單獨(dú)顯示或與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)合顯示，能任意旋轉(zhuǎn)，模型可透視及多剖面顯示，各動脈外觀、毗鄰關(guān)系清楚準(zhǔn)確；d、手部肌腱的三維重建重建指屈肌腱、指伸肌腱，從不同平面能顯示肌腱的位置、排列、層次及毗鄰關(guān)系。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述的步驟A中，標(biāo) 本在預(yù)處理前先經(jīng)CT掃描。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述的步驟B中的灌 注材料的成分包括自凝牙托粉30~35g，自凝牙托水65 70g，鄰苯二甲酸二 丁酯30ml，中國銀朱10~15g;所述灌注材料的配制方法為在常溫下將自凝 牙托水，鄰苯二甲酸二丁酯及中國銀朱混合，再加入自凝牙托粉，充分?jǐn)嚢杌?合均勻后即刻灌注。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字化虛擬手解剖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法。該構(gòu)建方法包括以下步驟A.標(biāo)本選取與預(yù)處理；B.標(biāo)本灌注；C.CT掃描獲取數(shù)據(jù)集；D.在普通個人計(jì)算機(jī)平臺上以比利時(shí)Materalise公司開發(fā)的Mimics軟件進(jìn)行手的三維可視化重建，包括a.手外形的三維重建；b.骨骼的三維重建；c.手的動脈三維重建；d.手部肌腱的三維重建。本發(fā)明首次對手的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的數(shù)字化三維重建，將臨床常用的二維圖像轉(zhuǎn)化為三維圖像，有助于進(jìn)一步完善對人手結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，為臨床診斷、治療方案的制定、手術(shù)相關(guān)操作等提供科學(xué)的依據(jù)。
文檔編號A61B6/03GK101390752SQ20081002981
公開日2009年3月25日 申請日期2008年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者葉耀華, 張美超, 方敏鳴, 方耀高, 朱家愷, 李忠華, 李敬礦, 秦金橋, 譚建文, 陳冬生, 陳隆福, 黃潮桐 申請人:東莞市厚街醫(yī)院