数字化穿支皮瓣标本的设计与制作

郭东铭 谢 巍 谭建国 曹宇辉 姚 婕 邓南星 周小兵

(南华大学人体形态中心, 衡阳 421001)

随着数字化技术的迅速发展,数字化穿支皮瓣标本的设计与制作已逐渐成为临床皮瓣设计的重要辅助手段。传统的标本剥制技术耗时长、破坏性大,标本不能重复使用,难以显示皮肤微血管立体构筑。Saint-Cyr等[1]于2009年对不同部位的多个单穿支进行了选择性血管造影,并利用CT自配软件首次绘制出3D可视化皮瓣。而随着三维数字化技术在人体解剖学研究中的广泛应用[2-6],唐茂林等[7-9]、周小兵等[10-12]将造影剂氧化铅与明胶、羧甲基纤维素(carboxymethylcellulose, CMC)配制成混合填充剂进行人体血管灌注,通过CT数据重建血管三维图像,成功地将数字化图像处理技术引入到全身动脉三维可视化研究。然而，该方法在皮肤血管灌注显示上仍然存在不足。本研究结合明胶-氧化铅灌注技术的优点,采用多点分部灌注,选择羧甲基纤维素/氧化铅水凝胶及乳胶-羧甲基纤维素/氧化铅混合造影填充剂分量行全身动脉造影,经X线摄影、CT扫描采集数据,利用Mimics软件制做动脉穿支皮瓣的三维重建,为临床外科皮瓣的设计提供可靠的科研数据。

1 材料和方法

1.1 标本的采集与插管灌注点的选择

选取身高155～170cm非外伤性死亡成人新鲜尸体标本6具,男性3具、女性3具,年龄以青壮年最佳(20～45岁)。在双侧颈动脉三角、肱二头肌内侧沟及腹股沟韧带内侧稍下方分别找到颈总动脉、肱动脉及股动脉,并在腹腔找到腹主动脉,分别切开管壁行向心及离心插管,随后灌注少量氨水(NH3·H2O)约100ml。然后用注射器灌注空气持续冲洗,直至从静脉流出清澈液体后,再将标本移入盛有40℃恒温水贮槽中待灌注。

1.2 造影填充剂的配制

用烧杯取500ml蒸馏水置于40℃～50℃的恒温箱中,加入CMC 25g,充分搅拌溶解后,置于40℃的恒温箱中备用。100ml蒸馏水中加入氧化铅125g搅拌混匀后,配成氧化铅稀释液,以纱布过滤备用。随后取CMC母液400ml,氧化铅稀释液100ml,充分搅匀,最终混合成CMC氧化铅造影填充剂。取标胶乳胶CMC悬液共100ml，其中取橡胶乳胶-CMC悬浮液共100ml,其中乳胶溶液与CMC溶液比例为1∶1,再在其中加入25g氧化铅,配制成乳胶-CMC/氧化铅混合造影填充剂。这2种造影填充剂中氧化铅的的浓度均为25%。

1.3 血管造影剂灌注

四肢、头颈部动脉行离心插管灌注乳胶-CMC/氧化铅混合造影填充剂300～500ml,躯干内脏动脉在腹主动脉行向心方向插管灌注CMC/氧化铅造影剂400～600ml。

1.4 放射显影CT扫描

按常规CT扫描条件： 512×512重建矩阵,0.5层厚,无间距连续扫描,窗位35～40、窗宽250～300。X线摄影条件： 53kV,50mA, 1/20s,线器滤(-)清晰地显示体壁的血管分布状况。获取CT图像以二维dicom格式输入电子计算机,作为人体血管数据集资料加以存储保存。

2 结果

经CMC氧化铅及乳胶-CMC与氧化铅合成的造影填充剂灌注后的人体各部血管,在X线或CT扫描下血管填充良好、显影清晰，无中断、空泡产生;血管边缘光滑连续;最小显示血管达0.10mm左右。然后运行Mimics 17.0软件分割工具分别对骨骼、动脉及软组织进行提取,并分别进行体重建、表面重建,重建后各部血管三维图像清晰、连续,立体空间感强烈,并可多角度旋转观察。

2.1 头面部动脉血管X线及穿支皮瓣三维重建

头面部动脉造影在X线或CT扫描下血管显像清晰(图1A,见封三)。而以剥脱皮肤CT数据构建了头面皮肤微血管数字模型,在三维视图上不仅可清晰显示面动脉、颞浅动脉及其分支,诸如颞浅动脉、眶上动脉等小动脉亦清晰可辨(图1B,见封三)。采用表面重建的方法,分别划分出面动脉、额动脉、颞浅动脉、耳后动脉和枕动脉的解剖供血区域,重建后各区域中的血管三维图像结构清晰,层次分明,空间位置关系明了(图1C,见封三)。

2.2 盆腔血管X线及腹前壁多组织穿支皮瓣三维可视化

对于盆腔及腹前壁多组织动脉显示,在灌注CMC-氧化铅造影剂后经扫描就可以达到理想的动脉显影效果(图2A,见封三)。为了清晰地显示盆腔血管及腹前壁多组织三维空间结构,便于对穿支进行定位,有必要对一些标志性结构,如： 脐、骨以及浅筋膜层等分别进行三维重建。重建后可清晰显示旋髂深动脉、旋髂浅动脉、髂腰动脉、腰动脉及其分支(图2B,见封三)。Mimics 17.0软件还可对所需组织进行单独配色及三维重建(图2C,见封三)。

2.3 四肢及手前臂血管三维重建

运用Mimics 17.0软件,对四肢及手、足部各结构进行图像分割;利用阈值法、形态运算、布朗运算、Mask(面罩)编辑等方法,将感兴趣区如血管、皮肤、骨骼分割成不同的Mask,分割后可清晰透视骨骼、血管、筋膜等配布状况,真实感强,仿真度高(图3，见封三)。

3 讨论

3.1 血管造影灌注材料选择的意义

血管造影的效果主要取决于造影剂与载体的选择,选用乳胶、羧甲基纤维素作为氧化铅造影剂的载体优点在于颗粒小、流动性好,比较容易灌注到微小血管,常用于头面部、四肢及手、足部位灌注。躯干内脏器官或大管径血管用羧甲基纤维素/氧化铅混合造影填充剂灌注,同时结合多点分步灌注可获得高质量的血管显影图像。灌注后经CT扫描显示最小管径达到0.1mm 左右,较原来显示至0.40mm的血管管径有所突破,该方法是重建数字化穿支皮瓣的前提和保障,使构建的穿支血管数目、走行、分布范围更加清晰逼真,对外科术前的皮瓣设计及教学研究具有重要意义。

3.2 三维重建数字化皮瓣血管的临床意义

利用数字技术将扫描后的二维图像转换为三维数字化模型,通过面重建的方法重建某些重要的大血管,重建后模型表面美观、空间位置清晰,适用于观察该部位的结构外形及毗邻关系;而利用体重建构建的模型结构更加精确,适于复杂的、血管体之间吻合的微小结构的重建,因此正确的重建方法是获得准确而真实的数字模型的保障,而高质量的血管图像是数字化模型重建的前提。分层体重建技术可以追踪各穿支动脉的来源血管并可直观形象地显示供区皮穿支动脉的大小、走行方向、分布范围、吻合情况。此外,结合透明观察分层体重建技术单独或搭配显示不仅能够精确、直观地反映骨骼、血管、肌肉等内部三维结构及其毗邻的空间位置关系,而且还可以在三维空间对图像进行任意地显示、测量、旋转、切割、重组和缩放。三维可视化数字模型能够对所需结构部位进行定量分析和动态模拟,实现术前三维诊断和模拟手术,有助于手术方案的制定并缩短手术时间,提高术后效果评价,为手术的顺利进行提供安全性和可靠性。