数字化虚拟手与纵形断指解剖学结构模型的构建方法

专利名称：数字化虚拟手与纵形断指解剖学结构模型的构建方法
技术领域：
本发明涉及一种数字化虚拟人体器官的构建方法，尤其是涉及一种数字化 虚拟手以及在此基础上的纵形断指解剖学结构模型的构建方法。
背景技术：
数字化虚拟技术已成为生命科学与信息科学领域中的热点问题。自1989 年美国国家医学图书馆首先提出了 "可视化人体计划(Visible Human Project, VHP)"以来，先后有韩国、日木等多个国家也提出了类似的研究计划。数字 化虚拟人体是指将人体结构数字化，通过计算机技术和图像处理技术，在电脑 屏幕上出现一个看似真实的模拟人体。目前，国内外对"虚拟人"的研究处于 "虚拟可视人"阶段，也可称为"虚拟解剖人"或"虚拟几何人"，目标是虚 拟出人体的形态结构。世界各国包括我国在内对"虚拟人"发展的基础框架是以 切片图像数据集为主。关于切片数据集的构建，从理论上讲，将人体材料切削得越薄越好，因为 切片间距的精度越高，将来赋加的信息参数就越精细，能表达的信息量就越大。 尤其是对于一些体积较小、精度要求较高的部位，有更薄的切削要求。但是， 就现有的机械切削加工的科技水平而言，切片间距最小极限是0.2mm;而且， 切削的精度越高，图像采集的数据存储量越大，要配备的计算机等级就越高。 韩国于2000年报道的一例男性尸体的切片工作，其切片间距为0.2mm，数据 量已达153.7GB，在一般个人计算机上已不能运转。如果切得再薄一些，则后 续的开发应用只能局限在少数具有海量存储和超高速运算能力的计算机才有可 能运转。前述白桂有等的报道中，仅采集手掌部分解剖学结构，获得了 1200 幅切断层图像数据，每个层面图像的数据量已达31.5M。这使得科研成果难以 普及推广应用。关于人手部解剖学结构的三维重建及其相应的研究报道较少。国内左焕琛于1986年首次报道将电子计算机三维用于手解剖研究(左焕琛.电子计算机三 维重建用于手解剖研究的初步探讨[J].解剖学杂志，1986， 9(6):237-24.)，采用 的方法是取新鲜成人手标本，在前臂经桡尺动脉灌注25%红色明胶溶液，将 低温冰冻处理的标本用电锯作等距横断切割(每2-3mm)，断面摄影，然后计 算机处理。左焕琛仅对食指的外形、掌骨基底部及腕骨进行了三维重建，而且 重建的图像非常粗糙。张绍祥等于1989年报道了手掌部动脉的微型计算机三维 重建(张绍祥，何光篪，刘正津.手掌部动脉的微型计算机三维重建及其临床意 义[J].第三军医大学学报，1989， 11(6): 409-411.)，采用的方法是取成人上 肢标本，经肱动脉灌注含30%红色氧化铅的乳胶，低温冰冻，电锯切割，断面 摄影，然后计算机处理。张绍祥等仅是对手掌部动脉的三维重建，重建的图像 也欠精确逼真。白桂有等于2005年报道了手掌部分解剖学结构可视化的初步研 究(白桂有，张正治，熊雁，等.手掌部分解剖学结构可视化的初步研究[J].中 国临床解剖学杂志，2005， 23(3): 227-229.)，处理的对象仍然是冰冻组织块， 但采用了高精确度的数控铣床，将铣切的层厚设定为0.2mm，在图像采集上采 用了 630万像素的数码相机，并采用国内自行开发的三维重建软件进行三维重 建。白桂有等仅是对手部的骨骼、指屈肌腱及手的外形进行了三维重建，在方 法上仍是沿用前人的思路，只是借助了现代科技的快速发展，从而在组织切片 的工艺、图像采集的技术及重建的精确性等方面都较早期研究有较大的改善。目前教科书中关于断指定义均以横断面离断为参照，对于指体以"冠状面" 或"矢状面"离断关注较少。对于断指、断掌的分类方法有很多，但对指体沿 冠状面、矢状面离断的断指分类无明确阐述。纵形断指是指沿"冠状面"或"矢状面"离断的指体，若不吻合血管，离 断的组织一定坏死者，将其定义为"纵形断指"。(谢广中，黄潮桐，李敬矿， 等.手指纵形离断与再植方法探讨[J].中国临床解剖学杂志，2004 ， 22(4):417-419.)"纵行断指"这一概念的提出，将此类损伤分类简洁化、科学 化、合理化，同时也为进一步研究其损伤机制和治疗提出了新的命题。纵形断指的发生在工伤中尤为突出。在广东省珠三角地区，工厂引进了一 种新型工业切割机，盖机器改变了切割方法，水平面切割由上下压板与中央电动锯片滚轴联动，根据切料的厚薄来切取所需材料的整片均匀厚度。由此，产 生了两种纵形断指(1)"冠状面"纵形断指因工人操作不当，手被带入上、 下压板间，机器刀片会一同将手指从平行方向切割，这样手指就会被切割成冠 状面伤，致掌、背两面分离。骨与关节呈纵形劈开，肌腱也是如此。但血管损 伤则有不同，由于手部的血管的分布不在同一解剖水平面的关系，有呈多平面、 不同形状、多部位的断裂，如呈斜形、横形、纵形断裂或节段性缺损等，冠状 面损伤根据离断平面又细分为正中型、偏背侧型、偏掌侧型，受伤时患者本能 的回抽上肢动作，又受重复切割及强力牵拉导致掌-指复合型等四种类型。(2) "矢状面"纵形断指因工人操作不当，手被带入上、下压板时，手指被机器 垂直刀片呈垂直方向切割，导致手指被切割成一指多切面或多指各有纵形切面 的矢状面伤。骨与关节、肌腱等呈纵形劈开，血管亦受累，呈多平面，不同形 状，多部位断裂。
由于考虑切割材料厚薄而调整刀片间隙大小，而且伤手一起带入切割机的 角度不同，以致伤指各节平面深浅不一，各指的切入面亦有可能不在同一层面， 从而切断时会出现各种各样的骨与关节、肌腱、血管神经的损伤，包括斜形， 纵形，多处切断伤，故冠状面纵形断指的组织修复，对骨与关节、肌腱都能给 予修复、关键是寻找可吻合的血管，由于不在一个平面上下行，故在做血管吻 合前必须详细了解血管断裂缺如情况，但目前恰恰缺少该类损伤的临床解剖学 尤其是手部血管损伤的解剖依据，因此，临床治疗方面仍然依靠经验操作，主观性较大，影响手术的成功率。目前对于纵形断指类型尚无明确的解剖学依据 可循。

发明内容
目前业界仅仅关注指体沿横截面离断的解剖学结构研究，而忽视了对纵形 断指的解剖学研究。本发明旨在打破这一局限性，利用数字化虚拟技术构建虚 拟手并将其应用到纵形断指(掌)的临床解剖研究中，提供一种数字化虚拟手与纵形断指解剖学结构模型的构建方法，将临床常用的二维图像转化为三维图 像，有助于进一步完善对人手结构的认识，为临床诊断、治疗方案的制定、手术及预后等提供科学的依据。本发明所述的数字化虚拟手与纵形断指解剖学结构模型的构建方法，包括 以下步骤-A. 标本选取与预处理取商业标本库中的成年人手标木至少3具，保留 腕关节，标本应无器质性损害，其主要解剖学参数具有代表性；将标本近端尺、 桡动脉游离后，予5%枸橼酸钠生理盐水冲洗血管，直至流出液体较清澈、标 本呈苍白色为止；B. 标本灌注采用自凝牙托材料作为灌注材料，其中造影剂为硫化汞； 以连续缓慢的方式灌注入标本尺、桡动脉中，同时观察手指手掌的皮肤，当能-看到填充剂的颜色时，即可停止灌注，灌注量为15~20ml，给予冷藏。C. CT扫描获取数据集标本灌注4 24小时内，采用四排螺旋CT机进行 扫描，扫描参数电压120kv，电流250mAs，层厚lmm，阵距512x512;共获 取220层数据，以CT扫描的通用文件格式保存，数据容量共计110兆比特；D. 在普通个人计算机平台上以比利时Materalise公司开发的Mimics软件 进行手的三维可视化重建，包括以下几个方面a、 手外形的三维重建重建手的外形，包括手掌、手指皮肤、各手指 指甲，重建后的各结构能单独、联合显示，能任意旋转、缩放，模型可透视及 多剖面显示；b、 骨骼的三维重建重建指骨、掌骨、腕骨及尺桡骨远端，重建后的 骨骼能单独显示或与其他结构联合显示，能任意旋转、縮放，模型可透视及多 剖面显示，各骨关节外观、毗邻关系清楚准确；C、手的动脉三维重建重建手部主要动脉桡动脉和尺动脉，以及骨间 前动脉和骨间后动脉的分支补充，包括管径约0.5mm的指末节血管网，能清晰 显示以下重要结构桡动脉，尺动脉，腕掌、背侧动脉(弓)网，手掌浅、深 弓，指固有动脉，血管管腔清晰逼真；重建后的动脉能单独显示或与其他结构 联合显示，能任意旋转，模型可透视及多剖面显示，各动脉外观、毗邻关系清 楚准确；d、手部肌腱的三维重建重建指屈肌腱、指伸肌腱，从不同平面能显 示肌腱的位置、排列、层次及毗邻关系；e、手部神经的三维重建对手部正中神经、尺神经、桡神经浅支进行 神经束的立体行径三维重建，其发支分布、伴行毗邻可较真实反映正常人体解 剖学特征；E.纵形断指解剖学结构模型的数字化虚拟构建，包括利用Mimics软件的Sirrmlation模块的正交立体切割工具，选定需分割的结 构后，包括骨骼、血管、肌腱、神经、皮肤，对其分别沿指体侧中线、指体侧 中线偏背侧、指体侧中线偏掌侧截面进行多次切割，并对相关结构进行多次布 尔运算，得到纵形断指可视化模型，并定义各结构参数，即3D特征。利用Mimics软件的Simulation模块的正交立体切割工具，选定需分割的结 构后，包括骨骼、血管、肌腱、神经、皮肤，对其分别沿指体侧中线、指体侧 中线偏背侧、指体侧中线偏掌侧、指体掌侧中线或背侧中线截面进行多次切割， 并对相关结构进行多次布尔运算，得到纵形断指可视化的模型，并定义各结构 参数，即3D特征。根据本发明所述的数字化虚拟手解剖学结构的构建方法，所述的步骤A中， 标本在预处理前先经CT扫描。经过CT扫描，可预先证实是否存在骨折、肿 瘤、先天畸形及结构缺如等情况，选取具有正常人体应具有的解剖学结构的标 本来进行三维重建。根据本发明所述的数字化虚拟手解剖学结构的构建方法，所述的步骤B中 的灌注材料优选的成分包括自凝牙托粉30~35g，自凝牙托水65~70g，邻苯 二甲酸二丁酯30ml，中国银朱10~15g;所述灌注材料的配制方法为在常温 下将自凝牙托水，邻苯二甲酸二丁酯及中国银朱混合，再加入自凝牙托粉，充 分搅拌混合均匀后即刻灌注。本发明所述的数字化虚拟手解剖学结构的构建方法，具有以下的特点和优点 (1)首次对手的解剖学结构进行了全面的数字化三维重建，将临床常用的 二维图像转化为三维图像，可以针对临床专科的需求，把结构复杂、功能意义 重大、诊治要求精确的部位，构建数字化模型，为临床诊断、治疗方案的制定、 手术相关操作等提供科学的依据。以往教科书中关于断指定义均以横断面离断为参照，对于指体以"冠状面"或"矢状面"离断关注较少。本发明首次对这 一特殊类型的纵形断指解剖学结构进行了数字化虚拟重建，满足了临床专科的 实际需求，所构建的数字化模型为临床诊断、治疗方案的制定、手术相关操作 以及预后等提供了科学的依据。(2) 纵形断指由于其离断平面的因素决定了损伤的解剖学结构的复杂性， 如果仍沿用现有的切片图像数据集方法来进行三维重建，需要有特制用于刨开 纵形切面铣切专用设备，如果需要得到多层剖面，则必须取用多只标本才能完 成上述系列剖面，这样的三维重建后续的开发应用只能局限在少数具有海量存 储和超高速运算能力的计算机才有可能运转。而本发明所述的构建方法，可对 重建好的数字化虚拟手进行多次重复切割，直至与临床损伤情况相吻合，从而 虚拟出纵形断指的复杂解剖学结构。标本信息可重复利用，可在同一标本进行 不同损伤类型的研究，伤情拟合较逼真。因而，木发明所述的构建方法可推广 到临床各领域，适合各基层临床工作者使用。(3) 目前临床上病例图像数据仍以CT/MRI为主，而可视化人体研究以切 片图像数据集为主，由于受到切割设备、方法等条件的限制，严重制约了其临 床推广应用。本发明采用灌注造影剂后通过CT扫描技术采集图像，并应用 Mimics软件进行图像配准、分割、标识、重建，可得到精确逼真的重建图像， 此方法在临床上具有可操作性。CT/MRI三维重建方法本质上是图像渲染技术， 完全依赖于工作站，不能导出通用格式三维文件，因而制约了应用范围。本发 明不再停留于解剖结构的重建，更重要的是解决如何应用重建后的结构解决临 床实际问题。Mimics软件可以在PC机上进行大规模数据的转换处理，对二维 图像进行编辑，并可将工程文件以不同形式的格式导出，利于后期临床与研究。 其Simulation (模拟)模块的Cut (切割工具)，Boolean (布尔运算)等工具对三维图像进行任意切割，加减等运算，从而得到不同曲面的三维图像，这些特 点具有极大的基础与临床研究价值。(4) 本发明采用的Mimics软件(目前版本是10.01版)是基于临床医学 影像学的逆向工程软件和计算机辅助设计软件，具有良好的图像编辑功能。其 重建的结构具有各结构可单独、联合显示，可任意旋转、縮放，模型透视及多剖面显示等特点。手掌及手指皮纹清晰逼真、各结构可透视显示通过上述标志特点可确定手部有关解间结构的毗邻关系和某些深部重要结构的体表投影，此 方法较传统实地解剖方法简便直观。可以从不同平面显示肌腱的位置、排列、 层次及毗邻关系。可对如桡骨尺偏角、掌倾角、腕骨角、尺骨茎突长度等骨性 结构及角度进行测量。该软件具有可沿曲线切割的功能，具有正交立体切割技 术，可得到曲面图像，能够逼真再现伤情，便于本发明所述的纵形断指的解剖 学结构的构建，而现有的其他软件尚无此功能。(5) 细小血管的标识及三维重建是数字化技术中的一个难题，VCH F-l(数 字化虚拟中国人女性-1号)中标识的血管最小内径为0.77mm (秦笃烈，罗述 谦，钟世镇，等.数字化虚拟中国人女性-l(VCHF-l)实验数据集血管标识的突 破进展[J].科学中国人，2003,(4): 4-8.)。而本发明采用中国银朱作为染色及遮 光剂，其颗粒直径约为40pm，能到达较微细的血管内，灌注扫描后可显示直 径为0.52mm的血管，可清晰显示重建后指末节血管，手部主要动脉管腔可中 空显示，中空效果可使图像更为逼真，显示更为精确。(6) 在数字化虚拟人体的研究中，血管灌注是尚未解决的问题之一。如前 所述，左焕琛采用红色明胶溶液作为血管灌注材料，张绍祥采用红色乳胶作为 血管灌注材料，这些都是目前血管灌注的常用方法。但本发明对灌注材料进行 了改良，优选采用自凝牙托材料作为血管灌注材料，在成分上延长了聚合反应 成型的时间，配制后在30分钟内仍具有较好的流动性，可以从容地灌注手部肢 体；经灌注后的标本，细微血管清晰可见，中等血管有一定的刚性支撑力，便 于解剖深层结构。(7) 如前所述，后前国内外研究均是针对冰冻组织进行研究，而本发明则 强调对标本灌注后不予冰冻，最好于4-24小时内完成扫描，由此达到极好的血 管中空显示效果，图像更为逼真，显示更为精确。血管中空显示效果与血管灌 注的流体力学所产生的轴流及边流及悬液沉着附壁相关，对于部分中空显示欠 佳的部位，则可采用Mimics软件的Segmentation (分割)模块手动调整灰度进 行图像分割标识(Edit mask/Multiple Slice Edit,遮掩层编辑/多层编辑)后期处 理亦可解决。现有研究中，尚无对血管中空显示效果的研究报道。而本发明所 实现的手部主要动脉管腔的中空显示，在不同切面下可反映出血管切割缺如特 征，为临床预构手术程序、手术过程中血管取舍，吻合的先后次序的提供依据。(8) 根据本发明的优选方案，即在所述的步骤A中，标本在预处理前先 经CT扫描。经过CT扫描，可预先证实是否存在骨折、肿瘤、先天畸形及结 构缺如等情况，选取具有正常人体应具有的解剖学结构的标本来进行三维重建。 以往对标本的选取仅通过肉眼观察是否有器质病变，因而不能准确地了解标本 内部情况。而本发明采用CT预扫，则可以进清楚地对标本进行评估。(9) 以往研究中处理医学图像的软件往往依赖于较大型的工作站或计算 机，而本发明所述的数字化虚拟手解剖学结构的构建方法，在PC机平台上即 可完成大规模数据转化处理；而且，三维重建图像的效果也达到了大型计算机 处理的效果。已有报道的软件重建的图形逼真显示欠佳、图形放大后出现多面 体网格形状，甚至失真。而本发明采用Mimics软件通过对提取的数据点进行 腐蚀、膨胀、开运算和闭运算，最大限度降低噪声，重建后的图形精确，显示 逼真，重要结构精准再现，细节也较突出。因此，可以让数量更多的医院和院 校都有可能开发应用，使科研成果具有普及推广应用的可能性，真正造福于广 大人民群众。(10) 手外伤是临床上常见的疾病，本发明对于虚拟纵形断指解剖学结构 的构建，有助于进一步完善对手部结构的认识，为临床诊断、治疗方案的制定、 手术相关操作及疾病基础研究等提供科学的依据。可以解决手外伤治疗前预构 手术程序、手术过程中血管取舍，吻合的先后次序及骨骼、神经、肌腱修复及 功能重建等诸多问题，可实现对未来事件进行实验以及对现存病例进行反演试 验研究。如上所述，纵形断指损伤组织结构复杂，离断的形态多变，其修复应按一定 解剖层次原则依次进行。本发明提出了构建数字化虛拟手与纵形断指解剖学结 构的方法，可明确手部损伤与纵行断指等的临床应用解剖依据，建立一套完整 的科学的手部损伤与纵行断指临床应用解剖学基础理论，能够指导临床实践， 有利于治疗方案的制定及治疗效率的提高，并具有较强的可操作性前瞻性研究。 同时也可将此研究推广到其他专科解决相关问题，这决定了虚拟手在临床医学 方面有广阔的应用前景。


图1为本发明所述的构建方法三维重建后的手的外形图，显示手的背面；图2为本发明所述的构建方法三维重建后的手的外形图，显示手的掌面；图3为本发明所述的构建方法三维重建后的手的掌面视图，从手的掌面显 示骨骼、血管和肌腱联合显示的效果；图4为本发明所述的构建方法三维重建后的手的背面视图，从手的背面显 示骨骼、血管和肌腱联合显示的效果；图5为本发明所述的构建方法三维重建后的手的视图，从手的背面显示所 构建的骨骼与血管联合显示的效果；图6为本发明所述的构建方法三维重建后的手的视图，从手的掌面显示所 构建的骨骼与血管联合显示的效果；图7为本发明所述的构建方法三维重建后的手的视图，从手的掌面显示所 构建的深浅屈肌腱与骨骼联合显示的效果；图8为本发明所述的构建方法三维重建后的手的视图，从手的掌面显示所 构建的指深屈肌腱与骨骼联合显示的效果；图9为本发明所述的构建方法三维重建后的手的视图，从手的背面显示所 构建的神经与骨骼联合显示的效果；图10为本发明所述的构建方法三维重建后的手的视图，从手的掌面显示 所构建的神经与骨骼联合显示的效果；图lla为冠状面纵形断指(正中型)血管、神经、肌腱、骨骼损伤情况局 部放大显示效果；图llb为冠状面纵形断指(偏背侧型)血管、神经、肌腱、骨骼损伤情况局部放大显示效果；图llc为冠状面纵形断指(偏掌侧型)血管、神经、肌腱、骨骼损伤情况局部放大显示效果；图12a为冠状面纵形断指(正中型)损伤剖面图，显示背侧面； 图12b为冠状面纵形断指(正中型)损伤剖面图，显示掌侧面； 图13a为冠状面纵形断指(偏背侧型)损伤剖面图，显示背侧面； 图13b为冠状面纵形断指(偏背侧型)损伤剖面图，显示掌侧面；图14a为冠状面纵形断指(偏掌侧型)损伤剖面图，显示背侧面； 图14b为冠状面纵形断指(偏掌侧型)损伤剖面图，显示掌侧面； 图15a为矢状面纵形断指(单指多面型)损伤剖面图，显示背侧面； 图15b为矢状面纵形断指(单指多面型)损伤剖面图，显示掌侧面； 图16a为矢状面纵形断指(多指多面型)损伤剖面图，显示背侧面； 图16b为矢状面纵形断指(多指多面型)损伤剖面图，显示掌侧面。
具体实施方式
1材料与方法1.1标本选取与预处理取取商业标木库(例如南方医科大学临床解剖学研究所的人体标木库)中的成年人手标本3具(保留腕关节)，标木应无器质性损害(处理前CT扫描)， 其主要解剖学参数具有代表性。将标本近端尺、桡动脉游离后，予5%枸橼酸 钠生理盐水冲洗血管，直至流出液体较清澈、标本呈苍白色为止。1.2标本灌注1.2.1灌注材料本实验采用自凝牙托材料进行制作，造影剂为硫化汞。其配方为自凝牙托粉30 35g，自凝牙托水65~70g，邻苯二甲酸二丁酯30ml，中国银朱(含硫化 汞成份)10 15g，以上材料均可在市面上购得。 1.2.2灌注方法在常温下将自凝牙托水，邻苯二甲酸二丁酯及中国银朱混合，再加入自凝 牙托粉，充分搅拌混合均匀后即刻灌注。采用20ml医用一次性塑料注射器灌 注，连续缓慢的方式注入标本尺、桡动脉中，同时观察手指手掌的皮肤，当能 看到填充剂的颜色时，即可停止灌注，灌注量约为15~20ml。1.3 CT扫描获取数据集优选在标本灌注冷藏4~24小时'内进行CT扫描。采用TOSHIBA Aquilion (东芝)螺旋CT扫描，扫描参数电压120kv (千伏)，电流250mAs (毫安 秒)，层厚lmm，阵距512x512;共获取220层数据，将其以.dicom (CT扫描后保存的通用文件格式)格式保存，每个文件大小为514Kbyte (千比特)，整 理数据集,数据容量共计110Mbyte (兆比特)。1.4数字化虚拟手的重建1.4.1工作平台C2D2.53G处理器，2GDDR内存，9300GE显卡，160G硬盘；MimicslO.Ol 软件(Materalise公司，比利时)。 1.4.2重建步骤 1.4.2.1导入文件以自动导入的形式将获取的CT数据集导入Mimics(Materiaise's interactive medical image control system,交互式的医学影像控制系统)10.01版软件，设 定参数Skip lmages=0 (计数图像)，Compression=CT (压縮方式)，Slice distance=1.0mm (层厚)，Pixel size=0.2490mm (像素值),确定图像位置(A, P， T， B， L， R)(方《立表达Anterior前，Posterior后，Top上，Bottom下/底， Left左，Right右)。1.4.2.2提取灰度值应用Segmentation (分割)模块的Thresholding (阈值)工具提取指定灰度 范围的数据点集构成一个Mask,提取手骨骼、血管Mask (遮掩)层(参数 Name=Green ， Lower threshold(Hu)(最低阈值，Hu为CT值的缩写，中文名为 豪斯菲尔德)=329， Higher threshold(Hu)=2305 (最高阈值))。1.4.2.3分割与标识运用Edit Masks (遮掩层编辑)，Multiple Slice Edit (多层编辑)工具逐层 进行编辑，分割骨骼与血管，使两者数据点无交集。利用Region Growing (区 域生成工具)及Dynamic Region Growing (选定区域生成工具)工具为骨骼建 立新的 Mask 层 (Name-bone ， Lower threshold(Hu)=329 ， Higher threshold(Hu)=2305)，应用Boolean Operations (布尔运算)工具对上述两个 Mask层进行一次运算(Green-bone)，得到新的Mask(Name=vessel)。再次运用 Edit Masks (遮掩层编辑)，Multiple Slice Edit (多层编辑)工具对部分尚不能 中空显示的血管进行处理。依同样方法建立手皮肤、指甲、肌腱的Mask层。1.4.2.4重建仿真应用Calculate 3D (三维生成)工具对已提取的各Mask层进行三维重建转 化，可单独转化也可批量转化。参数设置Quality (品质)=High (高)，Interpolation method=Contour (方法=轮廓线)，Prefer=Continuity (特征=连续性)，Largest shells=l， Smoothing(Iterations=2， Smooth factor=0.5)(平滑工具(迭代指数 =2， 平滑指数=0.5))， Triangle reduction(Reducing mode=Advanced edge, Tolerance=0.05， Edge angle= 10.0)(三角网格简化(简化模式=高级加边，耐受 值=0.05，边角=10.0))。对生成的三维图像依解剖学标识方法进行渲染。对于 神经的重建，可以依据正常人体解剖学知识及CT图像上灰度值的细微差别进 行手工分割标识，应用Measure Distance (测量距离)工具测量其直径，并利 用Tools模块中的Draw/Manipulate Nerve (神经绘制)工具处理，设置参数 Color=Yellow， Diameter=0.5~7.0mm (颜色=黄，直径=0.5~7.0毫米)。1.4.2.5平滑处理为使重建后的三维结构更为逼真精确，利用Simulation (模拟)模块的 Smoothing (平滑)工具(Iteration=12， Smooth factor=l)(平滑工具(迭代指 数=12，平滑指数=1))对重建的三维模型进行平滑处理。1.4.2.6文件保存将生成的文件保存为Mimics软件工程格式.mcs，亦可将工程以.iges及.stl 等3D通用格式文件导出以备后续研究使用。(.mcs， .iges， .stl为三维文件保存 格式)1.5纵形断指(掌)模型的构建利用Simulation模块的Cut Orthogonal to Screen(正交立体切割工具)，选定 需分割的结构后(骨骼、血管、肌腱、神经、皮肤)，对其分别沿指体侧中线、 指体侧中线偏背侧、指体侧中线偏掌侧、指体掌(背)侧中线截面进行多次切 割，并对相关结构进行多次Boolean Operations (布尔运算)得到纵形断指可视 化模型，并定义各结构参数(3D Properties)。2结果2.1可视化手模型本发明建立了基于解剖学结构的可视化手模型并精确显示其主要解剖学结 构，各结构可单独、联合显示，可任意旋转縮放，模型透视及多剖面显示，血管管腔显示中空逼真。手部神经的立体行径三维重建，其发支分布、伴行毗邻 可较真实反映正常人体解剖学特征。 该可视化手模型包括a、 手外形的三维重建重建手的外形，包括手掌、手指皮肤、各手指指甲， 重建后的各结构能单独、联合显示，能任意旋转、縮放，模型可透视及多剖面 显示；手掌、指皮肤，各指指甲显示逼真，手掌及手指皮纹清晰可辨；见图1 和图2;b、 骨骼的三维重建重建指骨、掌骨、腕骨及尺桡骨远端，重建后的骨骼 能单独显示或与其他结构联合显示，能任意旋转、縮放，模型可透视及多剖面 显示，各骨关节外观、毗邻关系清楚准确；可对如桡骨尺偏角、掌倾角、腕骨 角、尺骨茎突长度等骨性结构及角度进行测量；见图3至图8;C、手的动脉三维重建重建手部主要动脉桡动脉和尺动脉，以及骨间前动脉和骨间后动脉的分支补充，包括管径约0.5mm的指末节血管网，能清晰显示 以下重要结构桡动脉，尺动脉，腕掌、背侧动脉(弓)网，手掌浅、深弓， 指固有动脉，血管管腔清晰逼真；重建后的动脉能单独显示或与其他结构联合显示，能任意旋转，模型可透视及多剖面显示，各动脉外观、毗邻关系清楚准确；见图3至图8;d、 手部肌腱的三维重建重建指屈肌腱、指伸肌腱，从不同平面能显示肌 腱的位置、排列、层次及毗邻关系；见图3至图8;e、 手部神经的三维重建对手部正中神经、尺神经、桡神经浅支进行神经束的立体行径三维重建，其发支分布、伴行毗邻可较真实反映正常人体解剖学特征。见图9至图10。2.2数字化虚拟纵形断指解剖学结构模型骨骼、动脉、神经、肌腱等结构截面呈现纵向斜形切割缺如，动脉管腔截面呈短斜形、长斜形、类圆形，切割截面与伤指实际情况基本相符(见图lla-图llc)。本发明所构建的数字化虚拟纵形断指解剖学结构模型包括以下类型2.2.1冠状面纵形断指正中型(沿指体侧中线切割):指骨呈纵形对半骨折；指间关节、掌指关节呈纵形对半损伤；伸、屈肌腱连续性存在；指固有动脉、神经因相对侧中线而言偏向于掌侧而未受累及，同样指背动脉亦不在侧中线的 走向上亦免受波及，但掌、背侧动脉之间的交通支呈横形、斜形断裂(图12a、 图12b)。2.2.2冠状面纵形断指偏背侧型(沿指体侧中线偏背侧切割)指骨背侧呈 纵向长斜形骨折，指间关节、掌指关节的背侧结构损伤；伸肌腱断裂、伸肌腱 附着点有断裂可能，屈肌腱连续性存在；指固有动脉未累及，而指背动脉及掌、 背侧动脉之间的交通支呈横形、斜形断裂或纵形断裂(图13a、图13b)。2.2.3冠状面纵形断指偏掌侧型(沿指体侧中线偏掌侧切割)指骨掌侧呈 纵向长斜形骨折，指间关节、掌指关节的掌侧结构损伤；屈肌腱有浅屈肌腱断 裂，深浅屈肌腱同时断裂，深屈肌腱断裂，深浅屈肌腱缺损等。断面有斜形断 裂，或断裂时从浅层面切去一半等情况。深浅屈肌腱附着点有断裂可能，伸肌 腱连续性存在；指固有血管呈单侧和双侧多形状、多段的损伤均同时存在，呈 斜形、横形或纵形断裂或节段性缺损，伴行祌经亦呈类似情况(图14a、图14b)。2.2.4矢状面纵形断指指骨呈纵向长斜形骨折或纵形对半骨折，指间关节、 掌指关节损伤，可呈纵形对半损伤。伸屈肌腱亦呈类似情况，多有同时受累。 掌、背侧动脉之间的交通支呈横形、斜形、纵形断裂或节段性缺损，亦可累及 指固有动脉及神经。(图15a、图15b以及图16a、图16b)
权利要求
1、一种数字化虚拟手与纵形断指解剖学结构模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤A.标本选取与预处理取商业标本库中的成年人手标本至少3具，保留腕关节，标本应无器质性损害，其主要解剖学参数具有代表性；将标本近端尺、桡动脉游离后，予5％枸橼酸钠生理盐水冲洗血管，直至流出液体较清澈、标本呈苍白色为止；B.标本灌注采用自凝牙托材料作为灌注材料，其中造影剂为硫化汞；以连续缓慢的方式灌注入标本尺、桡动脉中，同时观察手指手掌的皮肤，当能看到填充剂的颜色时，即可停止灌注，灌注量为15～20ml，给予冷藏。C.CT扫描获取数据集标本灌注4～24小时内，采用四排螺旋CT机进行扫描，扫描参数电压120kv，电流250mAs，层厚1mm，阵距512×512；共获取220层数据，以CT扫描的通用文件格式保存，数据容量共计110兆比特；D.在普通个人计算机平台上以比利时Materalise公司开发的Mimics软件进行手的三维可视化重建，包括以下几个方面a、手外形的三维重建重建手的外形，包括手掌、手指皮肤、各手指指甲，重建后的各结构能单独、联合显示，能任意旋转、缩放，模型可透视及多剖面显示；b、骨骼的三维重建重建指骨、掌骨、腕骨及尺桡骨远端，重建后的骨骼能单独显示或与其他结构联合显示，能任意旋转、缩放，模型可透视及多剖面显示，各骨关节外观、毗邻关系清楚准确；c、手的动脉三维重建重建手部主要动脉桡动脉和尺动脉，以及骨间前动脉和骨间后动脉的分支补充，包括管径约0.5mm的指末节血管网，能清晰显示以下重要结构桡动脉，尺动脉，腕掌、背侧动脉(弓)网，手掌浅、深弓，指固有动脉，血管管腔清晰逼真；重建后的动脉能单独显示或与其他结构联合显示，能任意旋转，模型可透视及多剖面显示，各动脉外观、毗邻关系清楚准确；d、手部肌腱的三维重建重建指屈肌腱、指伸肌腱，从不同平面能显示肌腱的位置、排列、层次及毗邻关系；e、手部神经的三维重建对手部正中神经、尺神经、桡神经浅支进行神经束的立体行径三维重建，其发支分布、伴行毗邻可较真实反映正常人体解剖学特征；E.纵形断指解剖学结构模型的数字化虚拟构建，包括利用Mimics软件的Simulation模块的正交立体切割工具，选定需分割的结构后，包括骨骼、血管、肌腱、神经、皮肤，对其分别沿指体侧中线、指体侧中线偏背侧、指体侧中线偏掌侧截面进行多次切割，并对相关结构进行多次布尔运算，得到纵形断指可视化模型，并定义各结构参数，即3D特征。利用Mimics软件的Simulation模块的正交立体切割工具，选定需分割的结构后，包括骨骼、血管、肌腱、神经、皮肤，对其分别沿指体侧中线、指体侧中线偏背侧、指体侧中线偏掌侧、指体掌侧中线或背侧中线截面进行多次切割，并对相关结构进行多次布尔运算，得到纵形断指可视化的模型，并定义各结构参数，即3D特征。
2、 根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述的步骤A中，标 本在预处理前先经CT扫描。
3、 根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述的步骤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，邻苯二甲酸二 丁酯30ml，中国银朱10~15g;所述灌注材料的配制方法为在常温下将自凝 牙托水，邻苯二甲酸二丁酯及中国银朱混合，再加入自凝牙托粉，充分搅拌混 合均匀后即刻灌注。
全文摘要
本发明涉及一种数字化虚拟手与纵形断指解剖学结构模型的构建方法。该构建方法包括以下步骤A.标本选取与预处理；B.标本灌注；C.CT扫描获取数据集；D.在普通个人计算机平台上以比利时Materalise公司开发的Mimics软件进行手的三维可视化重建；E.纵形断指模型的数字化虚拟构建。本发明利用数字化虚拟技术构建虚拟手并将其应用到纵形断指(掌)的临床解剖研究中，提供一种数字化虚拟手与纵形断指解剖学结构模型的构建方法，将临床常用的二维图像转化为三维图像，有助于进一步完善对人手结构的认识，为临床诊断、治疗方案的制定、手术及预后等提供科学的依据。
文档编号G06T19/00GK101401728SQ20081021862
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月24日 优先权日2008年10月24日
发明者叶耀华, 张美超, 方敏鸣, 方耀高, 朱家恺, 李忠华, 李敬矿, 秦金桥, 谭建文, 陈冬生, 陈隆福, 黄潮桐 申请人:东莞市厚街医院