计算机图像处理技术在整形美容外科中的应用|计算机应用好就业吗

　　(第四军医大学西京医院整形外科　西安710032) 　　[中图分类号]R622　[文献标识码]A　[文章编号]1008-6455(2000)05-0386-03
　　
　　计算机图像处理技术在医学领域的应用日趋广泛,近20年来已成为整形外科领域研究应用的方向之一。本文将国内外近年来有关计算机图像处理技术在整形外科面积测量与结构分析、手术设计与模拟、术中导航、辅助预制假体、软组织生物力学分析、计算机整形专家系统等领域的具体应用进行了综述,并提出了需解决的问题及今后主要的发展方向。
　　
　　1　具体应用领域
　　1.1　面积测量与结构分析　1983年,Hilger等[1]首次将计算机图像技术用于鼻成形术形态测量和结构分析。1987年,美国试制成功第一台由计算机与录像设备组成的整容检测仪并投入应用。1988年至1992年,Papel等[2～4]都先后采用计算机技术对人体,特别是面部形态进行了测量与分析。国内1990年王大章等[5,6]开始在口腔整形方面应用计算机进行测量分析、辅助诊断、疗效预测等研究。1995年,王积恩等[7]对鼻形态12个项目进行了计算机测量分析,胡志奇等[8]报告了120例隆鼻术前后做形态测量与统计分析的结果。同年,王大为等[9]用记录像素点个数测量面积的方法,精确测算了外扩张所得的二维平面"额外"皮肤面积,1999年,胡华新等[10]则将三维皮肤表面用纸基乳胶膜取模后转化成二维平面,采用类似的测量方法对三维空间的扩张皮肤面积进行了测量,最大误差小于3%。1997年,Namnoum等[11]曾用计算机重建了人类胎儿人中部位的肌纤维与皮肤组织的三维结构,帮助人们正确认识了该部位的解剖结构及人中特殊形态形成的机理。�医学图像能直观准确地提供诊断信息,作为手术的重要依据和指导,这对以改善外观形态为主要目的的整形外科尤为重要。用计算机进行形态测量与分析,较传统的手工测绘与肉眼观察,除简便、迅速、可满足大样本多参数测量外,还可精确测算细微差别或不规则面积,并可结合黄金分割等进行美学分析。
　　1.2　手术设计与模拟
　　1.2.1　CAS、CAPS和Simulation Surgery的概念　CAS是Computer-Aided Surgery的缩写,即计算机辅助外科,指一种全新的模拟仿真及术中导航系统,对于面部整形手术而言有计算机化的手术设计与模拟系统(Computerized Surgerical Planning and Simulation Surgery System),该系统用于术前设计、术中导航、假体的辅助设计与移植模拟,目前已有商品化的产品问世[12]。应用CAS系统需要以下条件:①手术小组;②成像设备;③精确的定位装置;④交互图形工作站;⑤三维可视化软件。一般步骤是:①图像采样;②空间三维位置测量;③体数据的抽取与处理;④三维显示及交互处理等[13]。�1995年,Pieper等[14]又提出了CAPS(Computer-Aided Plastic Surgery)即计算机辅助整形外科的概念,并报道了他们初步开展CAPS的情况。�日本的Fujino等[15]最早提出和补充了Simulation Surgery,即模拟外科的概念,并将其分为经验模拟外科(即术者凭经验在头脑中模拟手术的过程)和计算机模拟外科两类。对于后者,术前即可在显示器上或按测量数据制作的实体模型上观察到感兴趣区域的三维解剖结构,并模拟可能的外科操作。以下按显示方式分类介绍其应用情况。
　　1.2.2　在计算机上进行手术设计与模拟　1992年,Theodore等在计算机屏幕上对面部皮瓣进行简单设计与模拟,计算机被用作一张绘图纸。1993年,唐胜建等[16]采用计算机成像技术辅助面部手术设计与效果预测,临床验证312例,取得初步效果。1997年,王大为等[17]报告了应用自行研制的软件,对隆鼻术患者术前图像测量分析后通过灰度外推、坐标内插等方法,模拟术后效果。1995年,Pieper等[14]报告了结合有限元数学模型的计算机辅助面部手术模拟系统,可对颜面部的直线形伤口和菱形-W形皮肤成形术在计算机上进行设计与模拟,并预测术后效果。�1993年,Altobelli等[18]进行了颅面整形手术的计算机辅助三维设计与模拟,以眼球作为定位基准,在计算机生成的表面显示三维图像上模拟截骨术和骨骼移动。1995年,Devauchelle讨论了三维图像技术与颅面整形的关系、计算机模拟手术的优点及发展前景,并指出三维成像技术的目的在于术前把畸形和所需做修复的精确空间定位提供给术者。目前,整形外科三维图像技术主要是基于CT扫描数据和计算机三维重建,故只能针对骨组织畸形或缺损,在颅面整形和牙颌面畸形矫治方面的应用较多,而在软组织结构与表面形态方面的应用,则因受图像采集生成方式的限制而仍多限于二维平面。�Altobelli提出计算机辅助整形外科手术设计与模拟的10条要求:①三维数据的高解析度采样;②多个平面数据的三维重建;③交互式的图像显示与测量;④二维及三维解剖数据库的用户界面;⑤截骨术及骨块位置移动的模拟;⑥软组织手术的模拟和(或)骨骼移位对软组织影响的模拟;⑦术中导航和对患者解剖及相应计算机图像记录的方法学;⑧解剖模型和植入体的制作;⑨以往手术经验的知识数据库;�10�运动学与生物力学分析。�显然,用计算机逼真地模拟手术过程对软、硬件的要求非常高,而且是以鼠标、键盘为工具,外科医生要能熟练操作才行,另外实际的手术器械及材料也无法在显示屏上应用,与实际手术操作情况差别较大,因此目前临床应用更多的还是实体模型。
　　1.2.3　在实体模型上进行手术设计与模拟　应用计算机辅助设计与制造技术(Computer-Aided Design & Computer-Aided Manufacture,CAD/CAM),采用数控机床或激光加工工艺,根据插值处理后的CT和MRI数据,可制造出轮廓光滑、与患者骨组织实际解剖结构完全相同的个体化模型。1995年～1997年,Klimek等[19,20]采用"立体石版印刷技术"(Stereolithography)以光固化塑料为材料逐层迭加制成实体模型。1993年～1996年,Rose等[21,22]则用数控机床分别以聚丙烯酸甲酯、多聚氨基甲酸乙酯泡沫或树脂加工制成实体模型。1993年,Kaneko等・[23]采用三维测量系统获得健侧耳数据,作镜像转换后制出与之对称的患侧耳模型,应用于7例小耳畸形,效果非常满意。该方法的优点有:①便于拿在手中对感兴趣区的实际结构在术前进行观察研究,消毒后还可作为模板用在手术台上,提高手术操作的精确度;②较计算机上模拟更加直观,更可直接用手术器械在泡沫模型上模拟手术操作;③可用作直观教具。但也存在缺点:制造成本高,需对CT数据进行插值处理才能保证模型边缘光滑自然。
　　1.3　辅助预制植入体　由正常组织轮廓及缺损边缘相减可得到植入体的数据,再用CAD/CAM技术即可制出精确的植入体。这种植入体虽然成本高,但接合非常贴切,形态好,寿命长,还可在术前预制,缩短手术时间。1995年,Eufinger等[24]将该方法应用于修复大面积颅骨缺损。1997年,Goto等[20]则在实体模型上以蜡封填缺损,再测量蜡融化后容积的方法计算缺损的体积,以指导自体植骨修补缺损时取骨量的多少。国内吴煜农等[25]尝试了采用栅线投影光测法由健侧与患侧颜面部的高程差值得到硅橡胶植入体厚度的数据,以指导植入体制作。
　　1.4　软组织生物力学分析　结合有限元数学模型,对皮肤软组织生物力学分析,可解决皮肤拉伸、缩短、扭转中的非线性、时间依赖性和各向异性等以往方法难以解决的问题,方便地分析各种成形术中皮肤受力、缝线张力及其对皮肤软组织重排的效果。Larabee和Galt于1986年用二维有限元模型与猪皮进行比较,分析了滑行推进皮瓣。Kawabata等[26]1989年对各种Z-成形术进行了力学分析。
　　1.5　计算机整形专家系统　即基于专业知识数据库,存贮专家的知识与经验,及其手术设计中的各种选择并对结果进行预测的计算机应用系统。此时计算机就象一本可用于培训或帮助分析决策的交互式教科书,可提供备选菜单,并根据使用者所做的选择给出最佳手术方案及相应结果。1994年王义彪[27]建立了小腿组织瓣手术方案优选专家系统,该系统选择结果与专家的判定基本一致。
　　1.6　患者咨询　计算机模拟和预测可直观显示手术过程及效果,为医生提供了有说服力的手段,提高患者对手术的理解和对医生的信任程度,加强医患交流,减少纠纷。
　　1.7　图像资料的管理　手术前、后照片对整形外科,特别是颜面部手术和美容外科非常重要,不但是患者咨询、学术交流的重要资料,还是医疗和法律文件。计算机可采用多种检索途径及查询方式调存资料,或附加某些指标做为分析因素,方便迅速、便于随访。我单位的魏清文等[28]已开发了专门软件,效果满意。
　　1.8　培训与教学　由于计算机在整形外科的上述诸多应用,它对培训和教学作用也就不言而喻了。Papel在《应用计算机成像技术进行整形外科教学和培训青年医师》一文中曾明确指出这一点[2]。
　　
　　2　亟需解决的问题�目前计算机图像技术已在小范围内应用于整形外科领域,从文献报道看都取得了良好效果,阻碍其推广的主要是经济因素和技术因素。由于尚处于起步阶段,经验少,往往需求助于计算机专业人员,图像处理速度与精度尚难满足临床实际需要,而且模拟出的图像、计算的结果也同手术实际情况存在一定的差距。①整形外科专业应用软件是制约计算机在整形外科应用的主要因素,应加强有关专门软件的开发和普及。②临床医师对计算机操作的水平和熟练程度也是影响计算机在整形外科领域应用的重要因素。
　　
　　3　主要发展方向和展望
　　3.1　国际互联网(World Wide Web,WWW)的发展与应用可将本地CAS系统同具有超级计算能力的远程计算中心联结起来,实现三维图像的分布式计算,从而使三维成像具有实时显示能力。利用网络技术还可实现远程整形外科医疗、会诊与咨询,大大节省往返费用和时间[29]。
　　3.2　虚拟现实(Virtual Reality)技术与器官图像数据相结合,使操作者有身临其境的真实感,从而在虚拟患者身上进行手术模拟、医师培训[30,31]。
　　3.3　将空间不规则表面图像采集生成技术与有限元数学模型结合,应用于皮肤扩张术或颅面外科,可实现对皮肤软组织三维形态的精确计算、辅助设计模拟和预测。
　　3.4　通过加强对细节因素的分析与识别,实现计算机对病变部位的自动检测识别、诊断甚至分型[29],这对于肉眼下不易辨别的疾病和组织深层畸形的诊治尤其有意义。
　　3.5　与内镜和机器臂技术相结合,实现复杂手术时对机器臂的可视化控制,从而使内镜整形外科迈入新阶段[29]。�计算机图像技术已带来许多革命性的进步,正在整形外科领域显示出强大的生命力。可以预见,这一技术必将得到广泛的普及和应用,并进一步促进本学科的发展,有着广泛的的前景。
　　
　　[参考文献]
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　　作者简介:张辉　男,1974年生,1997年第四军医大学医疗系毕业,现在第四军医大学神经生物专业,从师饶志仁教授攻读博士学位。
　　收稿日期　2000-08-01
　　编辑/姜如蓉