數(shù)字化三維重建與快速成型技術(shù)在脊柱畸形中的應(yīng)用進(jìn)展

1、1 7 4實(shí)用醫(yī)學(xué) 雜志 2 0 1 4 年 第 3 0 卷 第 2 期 · 專 題 筆 談 ·數(shù)字化三維重建與快速成型技術(shù)在脊柱畸形 中的 應(yīng) 用 進(jìn) 展 劉國萍曹奇 脊柱 畸形 多 由特發(fā) 性 、 先 天性 、 創(chuàng) 傷性 等病 因所 致 ， 嚴(yán)重者 可同時(shí)伴 有側(cè) 彎 、 后 凸及椎 體發(fā)育異 常等 多種畸形。 脊 柱解剖本身復(fù)雜， 而脊柱畸形又常常伴有結(jié)構(gòu)變異， 因此其 矯形 手術(shù)非常棘 手且極具挑 戰(zhàn)性。 隨

2、著數(shù) 字化三 維重建與快速 成型技 術(shù)在 醫(yī)學(xué) 中的逐 漸應(yīng) 用和 成熟 ．臨床 醫(yī)生開始 認(rèn) 識(shí)到其在脊 柱矯形 中的必要性和 實(shí)用性 。本 文就數(shù) 字化 三維重建和快速成型技術(shù)及其在脊柱畸形中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn) 行 綜 述 。1 數(shù) 字化三維重建技術(shù) 的介 紹數(shù) 字化 三維重建 ( d i g i t a lt h r e e ． d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n )技術(shù)是指

3、 應(yīng)用計(jì) 算機(jī)相 關(guān)軟 件 ．將 C T或 M R I 掃描 的斷層 數(shù)據(jù)通過投 影轉(zhuǎn)換及 負(fù)影顯示等 處理 ， 重建 出三 維 圖像 。 其 最早應(yīng) 用于醫(yī)學(xué)是 2 0 世 紀(jì) 8 0 年代 ? 。通過觀察 立體 圖像 可清楚地掌握病灶的區(qū)域、 結(jié)構(gòu)及性質(zhì)， 這不僅能提高診斷 率 ， 還可增加手術(shù)設(shè) 計(jì)及 手術(shù)模擬 的精確 率。 目前臨床普 遍使 用的三 維重建技 術(shù)大 多是 應(yīng)用 C T或 M R I 設(shè)備 自帶的工作站進(jìn) 行 ，

4、且 整個(gè)過程均需在 醫(yī)院的影像 中心 完成[。隨著醫(yī)學(xué)三 維重建軟件 諸如 M i m i c s 和 3 DD o c t o r 等的 不斷開 發(fā) 與應(yīng)用 ， 三維重建越 來越便捷 ． 臨床 醫(yī)生只 需通過 簡單 的培訓(xùn) 就可在 自己電腦上進(jìn)行 數(shù)據(jù)重建。數(shù) 字化三 維重建首 先需獲取 C T或 M R I 掃描 的二 維 圖像數(shù) 據(jù) ． 為保證三 維 圖像 的精 確度 ． 目前一般 選擇 的掃描層 距 是 1 ． 0m m 或&l

5、t;1 ． 0m m： 然后 對(duì)其 進(jìn)行 重 建 ． 即可得 到 清楚的三維 圖像 2 快速成 型技術(shù)的介紹 快速成 型 ( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技 術(shù) 2 0世 紀(jì) 8 0年代 興起 之后 ， 被 廣泛 應(yīng) 用 于航 空航 天 、 汽 車工 業(yè)和模 具 制造 等 多個(gè)領(lǐng) 域 ， 目 前 已成 為制造 業(yè) 中的一項(xiàng) 重要策 略 。應(yīng)用快 速 成型技 術(shù)制 作的 立體模 型與 實(shí)物 大小 、形

6、 狀 完全 相 同 ． 可 方便 進(jìn)行觀 察 、 測(cè) 量及 手術(shù)模 擬等操 作 。由 于其 立體 直觀 性和 精 確性 ， 近年 來在 醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域被 逐 漸應(yīng) 用和 推 廣 ， 目前 主要在 脊柱 畸形 、 頭面部修 復(fù)等 整形 外科和 組 織工程等 領(lǐng) 域 ， 可為手 術(shù)設(shè)計(jì) 和生 物制造提 供有 效 的解決 方法和制 作 手段 [。快速 成 型技 術(shù) 首先 需利 用計(jì) 算機(jī) 相 關(guān)軟 件 將 D I C O M格式 的二 維 圖片數(shù)

7、據(jù) 轉(zhuǎn)化成 S T L格 式導(dǎo) 出．然后再 應(yīng)用逐 層堆積原 理制作 出三 維實(shí)體樹 脂模 型 d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 6 — 5 7 2 5 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 3基 金項(xiàng) 目： 湖南省衛(wèi)生 廳一般項(xiàng) 目( 編號(hào) ： B 2 0 1 0 — 0 4 9 )作者單位： 4 2 1 0 0 1 湖南省衡陽市． 南華大學(xué)附屬第二醫(yī)院脊 柱外 科 通 信作者

8、： 曹奇 E - m a i l ： c a o q i 6 9 @1 6 3 ． c o m3 脊柱 畸形的概況 、 手術(shù)治療及 其難點(diǎn) 3 ． 1脊柱 畸形的概 況 脊 柱畸形是 一種 常見的脊 柱疾病 ．好發(fā)于青少年及兒童。 一般發(fā)病初期畸形并不嚴(yán)重， 多數(shù)患者 因經(jīng) 濟(jì)原 因或未 予重視 ， 而沒 能及 時(shí) 醫(yī)治 ． 導(dǎo) 致 C o b b角度進(jìn) 行性加重 。 當(dāng)發(fā)展 為中重 度脊柱畸形 時(shí) ， ?？?導(dǎo)致嚴(yán)重的胸腰 背部疼 痛

9、及神 經(jīng)功能損 害等癥狀 ，這 時(shí)常 需采 取手 術(shù)矯 正 ， 否則將 可能造成無 法逆轉(zhuǎn) 的神 經(jīng)功能 障礙 ． 給 患者 及 其 家庭 帶來沉重的 負(fù)擔(dān) 3 ． 2 脊柱畸形的手術(shù) 治療及其 難點(diǎn) 脊柱畸 形的手術(shù)治療多采 用后路 截 骨矯 形 ． 目前 國內(nèi)外關(guān) 于后 路 截 骨方 式 的報(bào)道 _ 5 _o ] 很 多， 如 附件 截 骨術(shù)和經(jīng)椎 弓 根 截骨技術(shù) 。 附件截 骨術(shù)有 S P O技術(shù)( S m i t h ． P

10、e t e r s e no c t e o t o m y ) _ 5 _ 6； 經(jīng)椎 弓根 截 骨技 術(shù) 有 P S O 技 術(shù) ( p e d i c l es u b t r a c t i o no c t e o t o m y ) I 7 _ 8 ] 和 蛋 殼技 術(shù) ( e g gs h e l lp r o c e d u r e ) E g ] ，此 外 ，后路 全 脊椎 截 骨( p o s t e r i o r

11、v e ~ e b r a lc o l u m nr e s e c t i o n ， P V C R) 技 術(shù)[ 1 0 ] 應(yīng)用也非 常常見。脊柱解剖本身復(fù)雜，而脊柱畸形又常常同時(shí)伴有多種 結(jié)構(gòu) 變異 ．因此其 手術(shù) 治療對(duì)外科 醫(yī)師來說 是一 個(gè)棘 手和 富有挑 戰(zhàn)性 的問題 [ n ] 。 目前臨床上 大 多是通過在 脊柱 正側(cè) 位 片上 測(cè)量 C o b b角度及 截骨 寬度 ， 精 確性較 差 ， 而且在 二 維平 面上

12、預(yù)測(cè)矯 形效果 ， 很不 直觀 。此 外 ．臨 床 手術(shù)確 定截 骨量 時(shí)還應(yīng) 綜合考慮脊 柱穩(wěn) 定性 、 椎前 血管順應(yīng)性 、 脊 髓松 弛程度 等 因素 。 截骨或減 壓范 圍過小 ． 無法達(dá)到 改善 外觀畸 形 、 恢復(fù)脊 柱平衡 的 目的 ： 截骨 或減 壓范 圍過 大 ， 術(shù)后 容 易出現(xiàn)水腫 導(dǎo)致嚴(yán)重 的神 經(jīng)功能損 害并發(fā)癥 。 因此充分 的術(shù) 前評(píng) 估和合理 的手 術(shù)計(jì) 劃是 治療的 關(guān)鍵 。 有研 究[] 顯示 ． 在

13、 脊柱矯形 手術(shù) 中， 即使十 分熟練的脊 柱外科 醫(yī)師 。 仍 可有 高達(dá) 1 0 ％以上椎 弓根螺釘 置入 不 良的發(fā)生 率 針 對(duì)不 同的脊 柱畸形 患者 ．怎樣進(jìn) 行合理 的個(gè)體 化手 術(shù)設(shè) 計(jì) ， 以獲取 最佳 療效 ， 這 對(duì)外科 醫(yī)生來說 ． 是 一 個(gè)艱 巨且亟待解 決的問題 。 近年來 ， 隨著數(shù) 字化三 維重建與快速成 型技術(shù)在 醫(yī)學(xué) 中的逐 漸應(yīng) 用和成 熟 ．臨床 醫(yī)生開始認(rèn) 識(shí)到其在脊柱矯 形 中的必要性和 實(shí)

14、用性4 數(shù)字化三維重建技術(shù)在 脊柱畸形 中的應(yīng) 用 脊柱畸形 常常伴有椎 弓根缺如 、 椎體 旋轉(zhuǎn) ． 甚 至椎 體分 節(jié)不全等畸形， 解剖結(jié)構(gòu)及解剖標(biāo)志嚴(yán)重變異 ] 。 將二維的掃描數(shù) 據(jù)輸入計(jì) 算機(jī)重建成 三維 圖像 ． 再通過 連貫性檢 測(cè)、三 維平滑等處理 ． 可顯 著提 高圖像 的精確度和視 覺效果 【 I 4 ]通過 對(duì) 圖片數(shù)據(jù) 應(yīng)用旋轉(zhuǎn) 和縮放等功 能 ．可便捷 地從不 同角度 和方 向去觀 測(cè)脊柱畸 形的形 態(tài)結(jié)構(gòu) ：

15、包括畸 形的程度 和 范 圍 ， 各椎 體及 附件 與其 鄰近 結(jié) 構(gòu)的 關(guān) 系等 ： 測(cè) 量 C o b b角 、 截 骨寬度及椎 弓根 的直徑和 角度等 。此外 ， 應(yīng) 用三維重 建技 術(shù)還 可進(jìn)行模 擬截 骨及置釘 ． 指導(dǎo)手術(shù) 方案 制定。 近年 來 ， 三維重 建技 術(shù)在 醫(yī)學(xué)中得 到廣泛研 究和應(yīng) 用 ， 并逐漸成 1 7 6[ 1 3 ][ 1 4 ][ 1 5 ][ 1 6 ][ 1 7 ]t h o r a c i c

16、p e d i c l es c r e w si ns c o l i o s i st r e a t m e n t [ J ] ． S p i n e ， 2 0 0 7 ，3 2 ( 1 5 ) ： 1 6 5 5 — 1 6 6 1 ．Du a r tC l e me n t eJ ． L l o mb a r tB l a n c oR．B e g u i r i s t a i nG u r p i d eJL ．Mo

17、r p h o l o g i c a lc h a n g e si ns c o l i o s i sd u r i n gg r o w t h ． S t u d yi nt h eh u m a ns p i n e[ J ] ． R e vE s pC i rO r t o pT r a u m a t o l ，2 0 1 2 ， 5 6 ( 6 ) ：43 2 — 43 8．H u mb e r tL， S t e f

18、 f e nJ S ，V i a ll eR，e ta 1． 3 Da n a l y s i so fc o n g e n i t a ls c o l i o s i sd u et oh e m i v e r t e b r au s i n gb i p l a n a rr a d i o g r a p h y[ J ] ． E u rS p i n eJ ， 2 0 1 3 ， 2 2 ( 2 ) ： 3 7 9 -

19、3 8 6 ．X i eA， F a n gC， H u a n gY ， e ta 1 ． A p p l i c a t i o no ft h r e e — d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o na n dv i s i b l es i mu l a t i o nt e c h n i q u ei nr e o p e r a t i o no fh e p a t

20、 o l i t h i a s i s[ J ] ． JG a s t r o e n t e r o lH e p a t o l ， 2 0 1 3 ， 2 8 ( 2 ) ： 2 4 8 -2 5 4 ．H e d e q u i s tD J ，E m a n sJ B． T h ec o r r e l a t i o no fp r e o p e r a t i v et h r e e d i m e n s i o

21、n a lc o mp u t e dt o mo g r a p h yr e c o n s t r u c t i o n sw i t ho p e r a t i v ef i n d i n g si nc o n g e n i t a ls c o l i o s i s[ J ] ． S p i n e ，2 0 0 3 ， 2 8( 2 2 ) ： 2 5 3 1 - 2 5 3 4 ．王 征 ， 王巖 ， 毛克 亞

22、 ， 等 ． 脊 柱數(shù)字化 重建 與快速成 型對(duì) 復(fù)雜 實(shí)用 醫(yī)學(xué) 雜志 2 0 1 4 年 第 3 0 卷第 2 期 脊柱 畸形矯治 的意義 [ J ] ． 中國脊 柱脊髓雜 志 ， 2 0 0 6 ， 1 6 ( 3 ) ：21 2 —21 4 ．[ 1 8 ]WuZ X， ] - I u a n gL Y，S a n gH X，e ta 1 ． A c c u r a c ya n ds a f e t ya s —s e s s

23、 me n to fp e d i c l es c r e wp l a c e me n tu s i n gt h er a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n i q u ei ns e v e r ec o n g e n i t a ls c o l i o s i s [ J ] ． JS p i n a lD i s o r dT e c h ， 2 0 1 1 ， 2 4 ( 7 )

24、 ： 4 4 4 — 4 5 0 ．[ 1 9 ] M a oK， Wa n gY， X i a os ， e ta 1 ． C l i n i c a la p p l i c a t i o no fc o m p u t e r — d e s i g n e dp o l y s t y r e n em o d e l si nc o m p l e xs e v e r es p i n a ld e f o r m i t

25、 i e s ： a p i l o ts t u d y[ J ] ． E u rS p i n eJ ，2 0 1 0 ， 1 9 ( 5 ) ： 7 9 7 -8 0 2 ．[ 2 O ]惠華 ， 羅卓荊 ， 陶惠 人 ， 等． 快 速成 型技術(shù)在 復(fù)雜脊 柱畸形 矯 治手術(shù) 中的應(yīng) 用 [ J ] ． 脊柱外科 雜志 ， 2 0 0 8 ， 1 0 ( 6 ) ： 2 7 4 — 2 7 6 ．[ 2 1 ]陳玉兵 ， 陸聲 ，

26、 徐永清 ． 個(gè) 體化導(dǎo)航模 板在胸椎 椎 弓根螺釘 置 人 中的初 步臨床應(yīng)用 [ J ] ． 中國脊柱脊髓 雜志 ， 2 0 1 1 ， 2 1 ( 8 ) ：6 6 9 — 6 7 4 ．( 收稿 ： 2 0 1 3 — 0 5 — 0 8 編輯 ： 杜冠輝 )請(qǐng)選用規(guī) 范 醫(yī)學(xué)名 詞 自 1 9 8 5 年正式成立了全國自 然科學(xué)名詞審定委員會(huì)后 ， 先后公布了多批醫(yī)學(xué)名詞， 但不少作者在來稿中仍采用 已淘 汰的舊名。請(qǐng)作者在投

27、稿時(shí)注意選用正名。又 名( 不推薦 用名 )正名 又名 ( 不推 薦用名 )正名 高血壓病 原 發(fā)性高血壓 病 矽肺 硅沉著癥 抗菌素 抗生素 兒童多動(dòng)癥 注意缺陷障礙( 伴多動(dòng))環(huán)孢 菌素 環(huán)孢 素 甘油三 酯 三酰甘 油 中風(fēng) 腦卒 中胞漿 胞質(zhì) 心指 數(shù) 心排血指數(shù) 植 物神經(jīng) 系統(tǒng) 自主神經(jīng) 系統(tǒng) 每搏輸出量 每搏作功 冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù) 冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù) 心輸 出量 心排血 量 合并癥 、

28、 并 發(fā)癥 并發(fā)癥 惡變 惡性 變 適 應(yīng)癥 、 禁 忌癥 適應(yīng)證 、 禁 忌證 綜合癥 、 癥候群 綜合 征 食 道 食 管 脛骨 骨折 脛 骨折 ( 余 類推 )人何杰 金病 霍奇金 病 腦梗 塞 腦梗 死 眼疲勞 視 疲勞 心肌梗塞 心肌梗死 法樂三聯(lián)癥 法洛三聯(lián)癥( 余類推)克隆病 克 羅恩病 先天性 結(jié)核病 宮 內(nèi)感染 結(jié)核病 球麻痹 延髓 性麻痹 機(jī)能 功能 光密度 吸光度 遺傳

29、易感性 遺傳易患性 紅血球 紅 細(xì)胞 、谷丙 轉(zhuǎn)氨酶 ‘丙氨酸氨 基轉(zhuǎn)移酶 剖腹產(chǎn)術(shù) 剖 宮產(chǎn)術(shù) 谷 草轉(zhuǎn)氨酶 天冬氨 酸氨基轉(zhuǎn) 移酶 甲亢 甲狀腺 功能亢進(jìn) 冷 凍蝕刻 冰凍 蝕刻 ’ 腎衰 腎功能衰竭 多聚酶鏈反應(yīng) 聚合酶鏈反應(yīng) 格林 巴利綜合 征 吉蘭一 巴雷綜 合征 風(fēng)心病 風(fēng) 濕性心臟病 巴彬斯基征 巴賓 斯基征 杜 氏肌營養(yǎng)不 良迪謝 內(nèi)肌營養(yǎng)不 良克尼格征 凱尼 爾格征 美尼爾病