专题介绍:三维重建是虚拟现实和医学可视化的等前沿领域的基础,已被广泛应用于组织工程研究中。随着CT薄层扫描能力的不断增强,以及图像后处理技术的长足发展,基于断层图像三维重建的医学仿真影像学成为数字医学研究的热点。
本期专题的10篇文章,介绍了三维重建技术在计算机辅助设计、手术导航、可视化仿真手术、颌面部赝复、生物热力学及血流动力学的三维模拟方面的应用进展,均有一定的创新,值得一读。
1 可视化仿真手术在活体肝移植中的应用价值
2008年第39期7751页
推荐理由:为了克服肝源短缺和扩大供肝来源,活体肝移植已成为可替代原位尸肝移植的一种新的手术方式。但活体肝移植比其他肝移植具有更大的挑战,它不仅要保证受体移植的成功,同时还要确保供体的绝对安全,对于供体有血管变异的活体肝移植其难度则更大。因此充分了解供、受体肝脏及其管道系统的解剖结构及变异情况,熟悉手术步骤,制定手术方案对活体肝移植是十分重要的。
文章利用病变和正常人肝脏的CT扫描的原始数据,进行三维重建和可视化仿真手术,研究虚拟现实技术在活体肝移植手术中的应用,可为活体肝移植进行术前评估和制定手术方案等提供很大帮助,为术前评估和制定合理的手术方案提供依据,从而提高手术的成功率,减少手术的并发症。
基金资助:国家自然科学基金资助项目(30470493);国家高技术发展计划(“八六三”计划)项目(2006AA02Z346);广东省科技计划项目(2003C34303);广东省团队项目(6200171)。
2 螺旋CT三维重建踩跷力学参数对腰椎椎间孔及椎管内切圆面积的影响
2008年第30期5337页
推荐理由:近年来,推拿手法的生物力学效应研究得到众多学者的关注。在手法作用机制研究方面,也较为重视手法对人体各解剖结构的具体作用,但鉴于临床检测手段的限制,对于人体活体在手法作用下的形态学改变实验比较少见,大多是应用尸体标本或动物模型,其研究与实际的差异较大,难以真实反映手法的生物力学效应。
实验尝试利用三维重建模型模拟踩跷腰部加压,观测活体腰部解剖结构的动态变化。文章选题较新颖,设计合理,结果可靠,为揭示踩跷力学参数与其生物力学效应的量效关系及踩跷力学参数的优化奠定基础,为手法规范化研究提供了新思路和新方法,对于促进手法规范化研究具有重要的学术意义和价值。
基金资助:国家自然科学基金资助项目(30572424)。
3 UG平台机器人辅助微创冠状动脉搭桥手术的创口术前规划
2008年第22期4237页
推荐理由:传统的术前规划对经验依赖强,缺乏定量指标,UG平台机器人辅助微创冠脉搭桥手术术前规划通过对患者计算机断层扫描数据的转化,在通用的计算机辅助设计平台(UG)上实现了患者三维影像重建。
文章是一篇新技术应用论文,介绍了AESOP 3000手术机械臂为基础的术前规划系统的应用和UG为工具的二次手术切开的优化。利用CT影像用Mimics三维重建患者肋骨、心脏及其相关的血管,用UG进行二次切开优化开发,拟创建出一个可视化的切口规划平台,对临床很有帮助。这类应用国内不多,本文结果对今后的应用有指导意义。
基金资助:国家“八六三”课题基金支持(2006AA02Z310)。
4 三维数值模拟颅内分叉部动脉瘤及血流动力学分析
2008年44期8644页
推荐理由:随着计算机软件及硬件的迅速发展,近年模拟技术迅速向三维方向发展。文章基于高清晰的三维数字减影血管造影图像,采用FLUENT软件为核心的三维血流动力学数值模拟,计算动脉瘤术前和栓塞术后的三维的血流动力学状态。虽然试验仅仅是对两个动脉瘤血流动力学参数的基本描述,所得结论具有明显的局限性,但颅内动脉瘤的三维数值模拟还是为研究动脉瘤的发生、生长及破裂的原因和机制提供了一种科学的方法。
基金资助:课题受国家自然科学基金(编号:30772234);北京市自然科学基金(编号:7072016);北京市优秀人才培养资助个人项目(编号:20061D0300400072);首都医科大学基础临床合作课题(编号:2007JL39)4个项目资助。
5 计算机虚拟健侧镜像辅助复原复杂跟骨骨折
2008年第48期9443页
推荐理由:对于复杂跟骨骨折,临床上多以健侧跟骨X 射线为准,依据经验判断Bohler角应恢复的角度。以上这些非个体化、不精确因素造成了跟骨骨折手术治疗的困难。实验创新性地将计算机仿真模拟技术应用于临床骨科,采用CT 图像经计算机三维重建,在术前建立健患侧跟骨的三维数字模型,对健侧跟骨采取三维模拟镜像技术,以此虚拟镜像为标准进行患侧跟骨骨折复位的计算机设计,为术中参考所用,为跟骨骨折复位技术提供新的定量化和可视化手段。
基金资助:全军医学科学技术研究“十一五”计划课题(06C045)。
6 热力学有限元方法研究骨组织热传导的三维空间分布
2008年第39期7665页
推荐理由:有限元法已广泛用于医学研究,但在生物热力学方面的发展却明显滞后,尤其是基于断层CT扫描的三维模型直接应用于临床问题的研究极为罕见。
本文基于三维有限元建模方法,尝试构建热传导的三维空间分布,通过简单的计算对射频热在骨组织中的传导进行了分析,以期对射频热在骨组织中的传导有一个形象的认识,并得到了具有一定科研和临床意义的成果,有一定创新,为射频消融治疗骨肿瘤研究奠定了良好的基础。
基金资助:课题受上海市科委临床科技攻关计划项目资助(054119613)。
7 基于CT三维重建个体化股骨假体计算机辅助设计:满足假体与病变骨骼的匹配度
推荐理由:人工关节的形状以及与股骨上段髓腔匹配的程度,是直接影响人工关节长期稳定性、活动度及人工关节生物力学性能的重要因素。良好的匹配可以起到早期稳定的作用,更是长期稳定的基础。由于人体的绝对个性化特点,标准人工假体与患者骨骼之间的误差使二者难以很好匹配。同时,一些患者骨骼呈先天性畸形或由于骨骼病变造成骨与关节大面积损坏,其骨骼关节与正常情况明显不同,亦不可能选用标准人工假体。
计算机辅助设计个体化股骨假体,通过对患者骨骼的三维重建,为每一位患者进行特殊设计和制造,提高了假体与病变骨骼的匹配度,提高了人工关节的长期稳定性,有效防止了关节松动,有效地延长人工关节的使用寿命和使用质量,并可能解决人工关节的翻修问题。目前国内的研究尚处于起步阶段,个体化假体主要用于畸形和肿瘤患者的治疗。随着数字制造技术的发展,个体化假体的设计制造将会越来越成为普遍和成熟的技术。
基金资助:江苏省南通市社会发展科技计划项目(S2007043);南通大学自然科学项目(07Z097);苏州大学优秀博士学位论文选题立项资助(23320517)
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8 一种基于刚体的虚拟Marker人体步态测量
2008年第30期 5833页
推荐理由:数字化虚拟人体的科学意义,在于将人体结构和功能数字化与可视化,建立起能够为计算机处理的数学模型,使计算机的定量分析计算和精确模拟成为可能。实验针对人体行走过程中的12 个刚体部位进行步态运动测量,研究了一种刚体加虚拟Marker点的新型步态测量方法,该方法可减少步态测量试验的工作量,并提高了试验的稳定性,为进一步获得高精度的人体运动数据提供可靠的试验平台。
基金资助:课题为国家自然科学基金资助项目(30530230,30470455);上海市体育科技招标资助项目
9 三维骨建模系统在人工全膝关节置换中的优化作用:导航与常规手术的早期疗效比较
2008年第13期2564页
推荐理由:自从计算机辅助外科技术应用于人工全膝关节置换以来,已经有越来越多的临床对比报告显示了该技术的优越性,不但在下肢力线的重建、截骨操作、假体定位方面,还有韧带平衡和膝关节运动学方面都优于常规手术方法。
本文介绍的一组病例来自于法国亨利蒙多医院(H?pital Henri Mondor),应用以三维骨建模为基础的计算机辅助Ceravision系统导航,进行初治的人工全膝关节置换手术,并与常规手术的患者进行比较,证实了应用无需影像的三维骨建模系统进行全膝人工关节置换,可提高手术的精确度,对下肢力线重建、假体旋转对位及伸屈膝关节间隙与韧带平衡特别有利,近期疗效令人满意。为国内此类研究的开展提供了可靠的数据。
10 结构光三维测量轮廓技术及快速成型技术在颌面赝复中的应用
2008年第9期1705页
推荐理由:目前,临床上广泛应用印模技术取得面部软组织外形信息。然而,由于取印模时患者的平躺体位、组织受印模材料压迫、材料变形等因素均可能造成面部模型变形,不能真实反映患者面部实际形态;同时,对于面部严重缺损的患者,印模技术则可能造成严重不适感及材料误吸的危险。
课题组应用自主研发的三维光学测量系统,结合广泛开展并日益成熟的快速成型技术,为一名面部严重缺损的患者取得面部光学印模,形成CAD模型后,指导快速成型设备制作面部树脂模型。该方法属于非接触式测量方法,对人体无任何损伤,且良好地还原了患者面形,制作成型的树脂模型可用于赝复方案设计和赝复体制作,为结构光三维测量轮廓技术和快速成型技术结合应用于颌面部赝复学科做一新的探索。
基金资助:上海市信息化委员会专项基金资助项目;上海市重点学科(特色学科)建设项目资助 (T0202 )。