计算机图像处理技术在整形美容外科中的应用

张　辉　鲁开化等

(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。ヒ窖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

1.2.1CAS、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。ト毡镜腇ujino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;10Ｔ硕学与生物力学分析。ハ匀,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]