计算机辅助三维颅颌面硬组织手术模拟系统的初步研究|颅颌面外科

　　[摘要]目的：基于个人计算机实现三维颅颌面硬组织手术模拟，以期能够为颌面颅畸形术前诊断和制定定量化的手术方案提供参考。 方法：以Windows98为操作平台，采用医学三维可视化技术和VisualC++6.0编程语言开发三维颅颌面硬组织手术模拟系统。结果：以CT为原始资料，成功地采用交互方式对颅颌面经典的几种手术截骨方式进行了模拟，系统可以反复进行手术模拟，直到结果满意为止。结论：该系统的建立将为提高颅颌面临床诊断和治疗水平，促进医患的交流与合作发挥作用。
　　[关键词]颌面部畸形；计算机图像；三维手术预测模拟；虚拟现实
　　[中图分类号]R782[文献标识码]A[文章编号]1008-6455（2008）06-0840-03
　　
　　Computer-assisted three dimensional planning and simulation system for orthognathic surgery
　　--3D virtual osteotomy
　　SUN Ying-ming, WANG Xiao-bo, LI Xin-jun, DING Jia-gen
　　（Department of Stomatology,The Military 101th Hospital,Wuxi 214044,Jiangsu,China）
　　
　　Abstract:ObjectiveTo realize orthognathic simulation and pre-operative diagnosis andquantitative design ofsurgicalprocedures on personal computer. MethodsOn the basis of Windows 98 , the system was developed by 3-D visualization technique and VisualC++6.0.ResultsThe classic orthognathic osteotomies were performed in our system interactively by using CT data, and the osteotomy simulation can be repeated until the results were satisfactory.ConclusionThe system can be used toraise the level of clinical diagnosis and treatment, and promote the communication and cooperation between patients and doctors.
　　Key words: maxillofacial deformity; computer graphics; three dimensional surgical planning and simulation;virtual reality
　　
　　长期以来计算机专家和颌面外科专家致力于颅颌面模拟和预测的研究。传统的颅颌面分析和模拟是在二维平面上进行的，由于误差的存在和人的颅面结构并非左右完全对称，因此预测精度受到限制。模型外科能够实现立体的概念，但它是在失去了口腔周围限制的情况下的模拟，与实际手术之间也存在一定的差异。对于不对称及复杂颅颌面畸形，三维手术模拟系统有着不可取代的优势。本研究以CT资料为对象，初步实现了计算机辅助三维颅颌面硬组织手术模拟系统的初步研究，以期能在提高临床治疗水平，促进医患的交流与合作方面发挥作用。
　　
　　1材料和方法
　　
　　1.1 计算机系统：硬件主要有pentium Ⅲ550；内存，256M；硬盘，20GB；扫描仪；彩色打印机；图像加速卡等。操作系统：Windows 98操作平台。计算机系统的专用分析和图像处理软件基于MicrosoftVisual++6.0编制。全部操作过程采用人机对话和菜单选择方式完成。
　　1.2CT资料的获取：我院门诊颅颌面自愿接受CT检查的患者。采用我院放射科CT机，机型为Picker 6000(美国)。扫描参数为120KV、125mA，扫描层厚2mm、螺距1.5mm，共扫描134层。图像格式为516×516matrix、16bits、ds格式文件，显示视野（DFOV）为25cm。扫描层数由患者头部的长度而定。患者处于自然咬合状态，仰卧位，眶耳平面与水平面垂直。从颌下区开始扫描，一直覆盖到整个头部。通过基于TCP/IP协议，采用FTP命令将位于工作站上的CT数据传输到个人计算机，并保存为bmp图像文件。
　　1.3 数据的预处理及三维重建：为了提高重建图像的质量，消除原始的切片文件噪声和CT机采样密度方向性不均匀的问题，需对数据的进行预处理。本实验中主要采用区域剪切和滤波、切片插值、图像分割和切片重组等方法。 头颅骨骼表面的三维重建采用移动立方体法(Marching Cubes Algorithm，简称MC)来进行表面重建。
　　1.4 获取待移动组织数据块：显示患者颅颌面图像于图像终端，操作者按手术类型选取标志点，画出截骨线，位于截骨线上的所有边界像素构成“切割线”输入并存储于系统；所有边界像素均予以标记，使“截骨段”由边界像素切割线界定为独立、有确定大小和厚度的多面体操作块。该切割线的所有轮廓点都经过世界坐标到屏幕坐标的转换并标记到头颅图像上，轮廓线不连续之处则予以插值。
　　1.5对选定的数据块进行手术模拟移动与旋转：通过设定骨块的参数，可以将骨块移动到任何预定位置，如果效果不满意可以重复操作，直到满意为止。
　　
　　2结果
　　
　　本研究成功地采用交互方式对颅颌面经典的几种手术截骨方式进行了模拟，包括LefortⅠ截骨术、Lefort Ⅱ截骨术、下颌矢状劈开截骨术和颏成形术等。系统可以计算出骨块平移的距离、旋转的角度等参数，用以指导临床。同时可以反复进行手术模拟，直到结果满意为止。
　　典型病例：某男，19岁。“地包天”求治。临床诊断为上颌后缩，下颌前突伴下颌不对称错牙合畸形患者。手术采用上颌LefortⅡ型前徙术、下颌升支矢状劈开截骨术并辅以颏成形术。术中上颌骨块的移动参数为（0，-5，0,0°）、下颌骨块的移动参数为（2.5，3，7.5,0°），颏部在下颌骨块的移动基础上的移动参数为（0，4，2.5,5°）。模拟情况如图1～6所示。
　　
　　3讨论
　　
　　迄今为止，计算机颅颌面虚拟截骨方法有三种，其一是基于侧位X线头影的二维手术模拟；其二是基于双平面X线立体摄影技术的三维手术模拟；第三种是基于CT图像的三维手术模拟。
　　基于侧位X线头影的二维手术模拟应用于临床时表现出一些局限性[1-2]，X线定位头影是颅颌面骨的二维重叠影像，丧失了许多空间三维信息；影像模糊不清常致定点和测量误差；正位定位X线头影由于影像重叠致无法清晰显示上颌骨、颧骨，鼻-筛-眶区整体外观形态；侧位定位X线头影不能反映颅颌面不对称畸形的特征，手术模拟是在颅颌骨侧位轮廓剪影上进行二维平面的操作，视觉效果类似于传统的剪纸模板拼对疗效预测。
　　在双平面X线立体摄影技术重建三维图像上可以进行上颌骨、下颌骨及颏部多种颅颌面术式的模拟，手术方式通常有两种：一种是由计算机系统根据Bolton的标准模板按照优化原则自行模拟截骨块移动；另一种是人机交互方式即利用鼠标移动截骨块，截骨块可在三维坐标方向上同时进行移动和旋转，系统可以自动输出相应截骨块在三维方向变化的数据。但其重建的图像是三维的骨骼框线图，因此手术模拟和预测的效果不够直观；并且存在许多不精确及误差的地方；另外该方法所取得的测量数据还不能与其他方法对应起来。尽管许多学者企图解决这些问题，但并不如人意[3-4]。
　　基于CT图像的三维手术模拟是当今的一大热点，因为它克服了以上两种方法的局限性。Moss等[5]以CT资料进行颅颌面骨骼的手术模拟，通过结合激光扫描资料，对50例正畸联合外科手术的先天面部畸形患者，成功地进行交互式计算机图像模拟，并将预测出三维面部形态展示给医生和患者。Xia等[6-8]通过CT资料建立的三维计算机辅助模拟截骨手术系统，将外科医生置身于一个虚拟现实环境里：戴一个立体眼镜，手握一个虚拟的“解剖刀”（3D鼠标）来模拟三维骨块的移动，并且可以从任意的视角观察手术的效果。国内杨斌等[1]也采用CT方法，进行了颅颌面硬组织的三维重建，并在骨组织上进行了颅颌面整形外科的手术模拟，获得了令人满意的效果。
　　
　　目前关于硬组织的手术模拟的方法已经比较成熟。首先应对移动的骨块进行定义，即确定组织模块内的体数据，以便在模拟手术过程中对要操作的组织块进行变换（平移和旋转）。对这些组织模块的提取应该事先确定组织模块的边界，然后根据组织模块的边界来获取模块中的体数据。这个过程实际上就是对体数据的切割。三维空间中，对体数据的切割一般采用平面切割，有时候也可以使用曲面切割。但采用曲面切割必须知道曲面的显示表达式。对于一般的曲面我们只能用多个平面进行拟合。当然这样的曲面也可以用已知表达式的曲面来拟合，如，二次曲面等，但由于体数据量巨大这样做的结果十分费时，因此用平面来拟合的方式是可取的，从本实验的结果来看也是合适的。
　　另外，为了方便各种类型的颅颌面手术模拟的需要，我们还对以上算法进行了改进。采用二元的树状结构运算方法对骨和骨段进行定义[7]，使得不同的对象有一个特定的代码，如同“树”状结构。例如，采用树状结构的概念，先把重建的图像分为颈部和头颅；再把头颅分为上颌和下颌；把下颌骨再分为两个近心段和一个远心段，从远心段中分出颏部；在上颌骨中依次分出LefortⅢ、Ⅱ、Ⅰ型骨块、再将LefortⅠ型骨块分成三个骨块等等。因此，每一个骨段有其自身的ID，这样就很容易对手术模拟进行各项参数的运算。功能包括：骨段的平移、旋转、物体由可视到消失之间的转换等。
　　本实验所建立起来的颅颌面硬组织手术模拟系统，进行单个骨块的截骨模拟需要大概25min的时间。外科医生可以根据临床诊断和经验实施各种类型的截骨手术，并可不断修改直到满意为止。系统还将提供骨块的移动参数，包括平移的距离和旋转的角度等，供术者参考。
　　致谢：感谢西安交通大学图像处理研究所的杜春华、葛明、胡晓娟等给予本研究的支持。
　　
　　[参考文献]
　　[1]杨 斌,黄洪章,李 晶,等.颅颌面整形外科立体可视化和手术仿真模拟系统的建立[J].现代临床医学生物工程学杂志,2000,6（3）:170-174.
　　[2]孙应明,段银钟,惠光艳,等.计算机辅助正颌外科手术预测和模拟系统的初步研究-颅颌面硬组织的三维重建[J].中国美容医学,2002,11(5):473-475.
　　[3]Sheldon Baumrind,Moffit F,Curry S,et al. Three dimensional x-ray stereometry from paired coplanar images: A progress report[J].Am J Orthod Dentofac Orthop,1989;84(4):293-307.
　　[4]Sheldon Baumrind,Moffit F,Curry S,et al. The geometry of three dimensional measurement from paired coplanar images[J]. Am J Orthod,1989,84(4):313-322
　　[5]Moss JP,Grindrod SR,Linney AD,et al. A computer system for the interactive planning and prediction of maxillofacial surgery[J]. Am J Orthod Dentofac Orthop,1988:470-475.
　　[6]Xia J,Wang D,Samman R, et al. Computer-assisted three dimensional surgical planning and simulation:3D color facial model generation[J]. Int J Oral Maxillofac Surg,2000,29(2):2-10.
　　[7]Xia J, Samman R,Wang D, et al. Computer-assisted three dimensional surgical planning and simulation:3D virtual osteotomy[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2000,29(2):2-10，11-17.
　　[8]Xia J,Wang D,Samman R, et al. Computer-assisted three dimensional surgical planning and simulation:3D soft tissue planning and prediction[J]. Int J Oral Maxillofac Surg,2000:250-258.
　　
　　[收稿日期]2008-02-17[修回日期]2008-05-29
　　编辑/张惠娟