CN1540575A - 一种影象叠加分层截骨方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种影象叠加分层截骨方法涉及医学领域，尤其适用于医学领域的整复外科在复杂颅面畸形中的整复。借助计算机图像处理、辅助设计，通过对颅面骨结构进行与实体匹配的仿真三维分割和重建，对受损颅面骨(包括眼眶)的外形和结构进行定性直至准确的定量分析。提供一种沿颅、眶、面自然弧度作中间劈裂的分层截骨方法，采用术中即时徙位固定、置入骨牵引器逐渐徙位、合并应用带血管蒂的耳后皮瓣和颞浅筋膜瓣等进行颅面部重建，使颅、眶、面外形达到正常或更为美观，以解决复杂颅面部畸形整复中重建精细颜面轮廓、恢复正常功能的目的。

Description

一种影象叠加分层截骨方法

所属技术领域

本发明为一种影象叠加分层截骨方法涉及医学领域，尤其适用于医学领域的整复外科在复杂颅面畸形中的整复。

背景技术

先天性颅面畸形(颅缝早闭症、眶距增宽症、小眼眶症)或幼年肿瘤放射治疗后颅面发育不良、外伤后继发畸形等，可致颅面骨架结构的异常和颜面轮廓变形，形成颅眶不对称、小眼眶症、严重颅面塌陷等。如何使颅面部外形恢复正常，是临床极为棘手的难题，一些学科将其视为禁区。70年代后期，国际上颅面外科的兴起和开展，可以对颅、眶、面、颌骨等部位的畸形进行手术治疗，但由于该部位的精细外形和其在颜面部的显著位置，要很好地恢复颅面外形和正常的颅面结构，至今犹存在许多难题，Salyer、David等认为手术前如何应用计算机辅助设计进行准确的术前模拟和设计，术中如何应用高超的手术技巧精致恢复颅面部外形轮廓和减少功能障碍是近5年颅面外科需要攻克的主要难题等。

颅颌面畸形绝大多数伴有颅、眶、上颌骨结构的畸形，眼眶是颅骨和面部诸骨的分界和交汇区域，颅面外科的主要内容之一是将额部颅骨、眼眶骨架上颌骨等截开徙位后进行改造和重建，颅面侧貌、眼眶容积等的变化通常成为临床上主要的观察指标。目前主要通过观察照相、头颅X线片、头颅CT断层扫描片等二维图像，结合临床医生经验，对额颅、眼眶毗邻、眼眶容积等进行诊断和手术方案的设计。自九十年代起，借助计算机图像处理和分析，计算机图形学，虚拟现实和计算机网络等技术的医学影像分析与处理一直是国内外研究与应用的热点。利用计算机技术对二维切片图像进行二维或三维分析和处理，对颅面骨进行整体的三维重建，分割提取和三维显示，可以帮助我们对受损颅面骨及其它感兴趣的区域进行定性直至准确的定量分析，能更好地辅助医生进行诊断和手术设计以及更精确地实现分割对象的测量计算。国际一些大型医疗器械公司正不断完善医学影像处理技术以提高医学影像的图象质量和各种辅助功能(如：三维成象、辅助手术设计等)。在此基础上，国外已建立了Mock Surgery的概念，即建立三维模型，结合数控机床的应用，进行病变部位的切割分离，重组，模型制备等全真手术模拟，目前在国内还未见报道。国内杨斌等仅应用三维CT的影象资料进行颅面部的测量和分析(2000年)。魏明贵等对头颅X线侧影定位片进行计算机自动识别后，以此作为颅面部二维分析的基础。国内作者的上述研究在理论上为计算机测量和辅助设计提供了各自的方法和应用范围，但对涉及形态复杂的颅面畸形，尚未做深入的研究。

图像分割是计算机视觉和图像分析中的一个基本问题。图像分割指的是同质区域的分割，同质区域就是具有一直属性的像元素集合，是解释图像的中层符号描述。而相邻同质区域之间的属性则有明显差异。图像分割的质量对后续工作具有较大的影响，目前人们一直在研究高质量的图像分割方法。比较流行的分割方法方法可以分为以下五类：即边缘检测、链接方法，区域增长、分裂合并方法，域值方法，变形模型方法(Snake、Levelsets)，统计模型方法。以上几类方法各有其优势和缺点，其中统计模型方法表现出较强的稳定性和可靠性。通过Hammersly-Clifford定理将Markov随机场和Gibs随机场结合起来，使得模型既兼顾了对图像的局部特征的描述也兼顾了对全局特征的描述，因而本研究选用此种方法。通过基于颅面骨结构CT数据资料的计算机辅助图像纹理分割和基于图像分析特征的提取图象和重建，对颅骨、眼眶、中面部的外形进行从二维到三维的仿真模拟，并计算相关骨结构位置改变后的体积变化，从而模拟基于正常颅面外形三维模板和成功病例术前颅面三维模板的手术充填物三维外形，并选取最佳的术后效果的图象和测量数据。

通常颅面外科手术中为了重建颅面外形，需要大量的自体骨移植，或用人工材料作为骨移植的替代。随之而出现的问题是，病人除了颅面手术的较大创伤外，同时要取多块自身的肋骨、髂骨、颅骨外板等，既增加了手术创伤，又有“拆东墙补西墙”之虞；植入的自体骨(如肋骨)在手术6个月以后有1/3至1/2的吸收，有可能再进行多次植骨手术。人工材料方面，作为骨移植的替代，目前有了长足的进步，各种新型、生物相容性良好的人工材料在临床广泛应用，但排异和感染仍不可避免，同时对颅面轮廓的恢复也不够精细。Tessier(1981)首先进行颅骨部的分层截骨，其基本方法是取颅骨的外板作为骨移植之用。Salyer(1986)利用眼眶和颧骨的自然弧度，对眶颧部进行中间劈裂式的截骨，然后错开前移眶颧外板以重建西方人突出的颧部，外形自然圆滑，效果良好。其存在的问题是，整个眶颧外层骨架经截骨前移后受颅面部肌肉的牵拉，易向后回复，外形效果较难维持长久；同时劈裂徙位后遗留较大的骨死腔，容易继发感染。Toth和Chin等应用中面部骨延长装置使劈开错位的分层骨片牵拉成骨，减少了复发。Tessier和Salyer等医生在颅面部进行分层截骨的成功经验表明，可以在颅面部利用几何原理，最大限度的改建颅面外形轮廓，减少骨移植量，这是颅面外科发展至90年代的新趋向，但由于此类手术要求很高的手术技巧，手术部位较深，对手术者的熟练和配合提出了更高的要求，因而国际上分层截骨的许多术式只在少数的几个颅面外科中心开展。

国内关于复杂颅面畸形中应用基于颅面骨结构CT数据资料的计算机辅助图像纹理分割和基于图像分析特征的提取图象和重建，并计算相关骨结构位置改变后的体积变化鲜有报道。颅面分层截骨在颅面复杂畸形的应用未见报道。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种沿颅、眶、面自然弧度作中间劈裂的分层截骨方法，采用术中即时徙位固定、置入骨牵引器逐渐徙位、合并应用带血管蒂的耳后皮瓣和颞浅筋膜瓣等进行颅面部重建，使颅、眶、面外形达到正常或更为美观，以解决复杂颅面部畸形整复中重建精细颜面轮郭、恢复正常功能的目的。

本发明的目的可通过下述技术方案实现：第一部分，借助计算机图像处理、辅助设计，通过对颅面骨结构进行与实体匹配的仿真三维分割和重建，对受损颅面骨(包括眼眶)的外形和结构进行定性直至准确的定量分析。基本方法是以颅骨、眼眶为主要研究对象，设计基于骨结构CT数据资料的影象叠加，分割和重建颅骨、眼眶的外形和容积(1)颅面骨结构的测量资料系从符合DICOM 3.0的CT扫描机中获得数字化数据，应用VC++6.0并结合VTK软件包的处理软件，并在此基础上对数字化数据进行由点到面的测量、图形分割、图形叠加和图形的三维重建；(2)体积计算，以眼眶为例，通过分割和闭合眼眶内区域的选取，设定边界后，进行眼眶容积(内体积)测量并计算其二维切面的截面积(S)

$S=\underset{D}{\∫\∫}\mathrm{dxdy}$

由于CT图像的图像间隔是等间距已知的，而且经过图像分割及闭合区域的选择过程，闭合区域的垂直于截面的径向最大值A最小值B也是已知的。因此所求不规则体眼眶的内体积(V)可表示为

$\mathrm{Volume}=\underset{B}{\overset{A}{\∫}}f\left(y\right)\mathrm{dy}$

A，B分别为闭合区域所在CT图像截面径向的上下界。f(y)为截面面积函数；分别计算患侧眼眶和正常侧眼眶的眼眶容积；(3)以正常侧眼眶和患侧眼眶进行三维图形分割和叠加，并对不同眼眶容积进行比较；(4)游离于重叠部分之外的眼眶三维影象和两侧眼眶容积比较的差值，即为须重建眼眶的三维结构和容积参考。基于骨结构CT数据资料的颅骨、眼眶的影象叠加、分割和三维重建，辅以眼眶容积的计算和两侧比较，可以有效的指导手术设计和手术操作，对目前多发的颅眶部外伤后继发颜面不对称畸形有很好的临床参考价值。

第二部分，应用自行设计的多向分层截骨法，精致重建颅面外形轮廓和重要结构，并减少植骨等功能损害。基本方法是(1)术前应用基于骨结构CT数据资料的图象分割和重建，对颅骨、眼眶、中面部的外形进行从二维到三维的仿真模拟，选取最佳的术后效果，并计算相关骨结构位置改变后的体积变化；(2)对选定的受术区进行术后效果的预测和评估；(3)头皮冠状切口入路，帽状腱膜层分离头皮瓣，广泛显露颅骨、颧骨、颧弓、眼眶、鼻骨、筛骨、上颌骨等，按术前设计对术区相关骨结构进行分片、分层截骨(需微型动力系统电锯和电钻)，以重建新的颅面结构或恢复受损的颅面外形轮廓；(4)分层截骨的方法为：将不规则的颅面骨从中间劈开，变一块骨为两块或多块骨，并进行错开重置，以达到理想的颅面轮廓外形，错开的骨架置于新的位置固定；(5)在严重颅面发育不良的病例，分层截骨后，选用骨牵拉装置渐进性移动劈开的骨片或骨段，以达到最小手术创伤下的颅面结构重建和减少复发；(6)对软组织营养不良的区域进行分层截骨，可同时选用皮瓣或筋膜瓣(游离)移植以增加手术的成功率。术后观察和随访显示，分层截骨后的接触骨片间发生直接骨愈合，无感染、骨髓炎等并发症，骨吸收并不明显；在牵拉成骨后的骨间隙发生再生性骨愈合，未见明显复发。

本发明的优越性在于：(1)按颅面整复的部位不同，手术可以在额颅骨、眶上缘、眶外下缘(颧突)、小眼眶周围、全眼眶周围等分别进行分层截骨移位术；(2)横颅冠状切口作为常规手术入路，截下的颅面框架在新的位置重新固定而无须植骨，外形自然；(3)术前计算机辅助设计和预测，能有效的启发截骨思路，减少手术中的盲目性；(4)仿真手术模拟使手术后的实际效果更符合审美观，减少医患纠纷。

具体实施方式

眶容积三维叠加的设计及其在眶截骨徙位手术中应用

1、研究内容

眼眶为大致圆锥体的立体几何形状。以眶口作为圆锥底计算面积，以眶顶至眶口的垂直距离作为圆锥高，计算圆锥体体积作为眶容积。分别计算患侧眼眶和正常眼眶的眶容积。以患侧畸形眼眶的眶容积为V1，以正常侧眶容积为V0；V1与V0进行图形叠加；重叠的部分即为须重建的眼眶三维结构。双侧眶容积异常(Crouzon综合征)者，以正常人群眶解剖资料作为参照指标。

2、研究方案

(1)计算机处理方法：

根据实际眼眶外科手术的内容，对骨骼处理基本上包括两方面的内容。骨骼的局部的截骨操作和复位操作。这些操作反映到图形学上则为以下两方面的内容。

切割：对切割的计算可以应用已知函数截面截取三维体数据。通过判断象素位于已知截面的内部还是外部来截取所需的三维体数据。另外为了进一步对局部区域进行处理，还需要必要的形态学计算，使得图像更加平滑和真实。

三维体空间变换：在三维齐次坐标系中，任意点P(x，y，z)可以用下面的矩阵运算变换到P′(x′，y′，z′)。

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& t_x\\ 0& 1& 0& t_y\\ 0& 0& 1& t_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]$

或者              P′＝T·P

借助计算机图像处理和辅助设计，通过对颅面骨结构进行与实体匹配的仿真三维分割和重建，对受损颅面骨(包括眼眶)的外形和结构进行定性直至准确的定量分析。基本方法是以颅骨、眼眶为主要研究对象，设计基于骨结构CT数据资料的影象叠加，分割和重建颅骨、眼眶的外形和容积。

颅面骨结构的测量资料系从符合DICOM 3.0的CT断层计算机扫描机中获得数字化数据，用相关的软件读取数据，并在此基础上对数字化数据进行由点到面的测量、图形分割、图形叠加和图形的三维重建。

体积计算方法，眼眶部系以眶口作为底部，计算圆锥形眼眶的体积，以作为眼眶容积计算的参考；分别计算患侧眼眶和正常侧眼眶的眼眶容积；以正常侧眼眶和患侧眼眶进行三维图形分割和叠加，并对不同眼眶容积进行比较；游离于重叠部分之外的眼眶三维影象和两侧眼眶容积比较的差值，即为须重建眼眶的三维结构和容定量测定

(2)骨性标志点

额眶连接点，眶上缘点，鼻根点，眶外侧缘点，眶下缘，颧眶结合点，颧骨颧弓点，上颌颧骨连接点和下颌角点等。

(3)临床应用

应用上述设计的眶容积三维叠加法，在术前利用X片、CT片、三维CT成象片资料，以正常眼眶的眶容积作为参照，用电脑辅助设计系统模拟眼眶骨架徙位后重建的眼眶立体结构；进行重建眼眶三维形状的精确演算和动画制作，为眼眶截骨手术提供准确的方案。

3、研究方法

4具正常人尸体头颅，一侧眼眶预制成各类畸形，另一侧作为参照，分别摄X片、CT片、三维CT片。

确定眼眶周围测量标志点：

眼眶骨性标志点测定包括额眶连接点、眶上缘点、鼻根点、眶外侧缘点、眶下缘、颧眶结合点、颧骨颧弓点、上颌颧骨连接点等。在X片、CT片、三维CT片描记与实体相应的标志点。

眶内容积的测量：

除完成正常人群的测量工作外，完成对畸形患者不规则眶内容积的测量，并进行自身或与正常值对照。以眶口作为圆锥底计算面积，以眶顶至眶口的垂直距离作为圆锥高，计算圆锥体体积作为眶容积。分别计算患侧眼眶和正常眼眶的眶容积。

眼眶容积和形状的三维影象叠加：选择X线片、二维CT片、三维CT片扫描后录入计算机，数值化并绘图，计算圆锥体体积。畸形眼眶和正常眼眶进行三维眶容积叠加，眶内容积的测量经三维影象分割后，左右镜影样叠加影象和进行比较、计算，以三维叠加图形的差值作为重建的眼眶结构模拟，并进行切割、位移、旋转。放样，制作三维动画模拟动态演示。设计计算机影象叠加的方法重建术后眼眶外形和容积。以患侧畸形眼眶的眶容积为V1，以正常侧眶容积为V0；V1与V0进行图形叠加；重叠的部分即为须重建的眼眶三维结构，包括了外形部分和容积大小。

手术模拟：

用人工定点的方法，对计算机处理后眼眶三维影像的骨性标志点和需求点予以确认，使之符合临床手术要求，并对相邻解剖结构进行立体观察和定量分析，通过新的切片直线或曲线的切割重组，充填，完成手术模拟的过程。

临床应用：

涉及眼眶容积改变的疾病类型有①眶容积狭小——先天性颅底缝早闭性突眼(Crouzon综合症)、外伤压挤性眶周骨折、甲状腺突眼、Grave病突眼。先天性小眼眶、肿瘤放射后眶发育不良；②眶容积过大——大多数的眶壁及眶周骨折(颧骨、上颌骨、筛骨、额骨等)。

应用方法1：眼眶影象叠加部分提取后可以通过两种方式应用于植骨充填术以缩小眼眶容积，即术前制备人工材料充填，或术中按预拟的三维影象边缘线距切削充填物毛胚。主要应用于眼眶外伤病例。

应用方法2：对扩大眶容积的病例，参照正常人群眶容积值比照后的眼眶影象叠加部分，可以在计算机上预拟出重建眼眶结构的三维数值和定位，藉以指导眼眶截骨徙位手术。主要应用于小眼眶(放射后)和Crouzon综合征等。

应用方法3：疗效估价。选取眼眶及其周围结构的骨性标志点作为疗效评估的基点。

研究结果：

一.眶容积三维叠加的设计及其在眶截骨徙位手术中应用

直接采集CT断层扫描机(GE)上的原始数字图像刻写在稳定性良好的光盘上保存和应用，并以此原始数字图像作为原始数据。这一方法的特点是，将标本的几何形状数字化，在现代计算机技术的辅助下实现了全程数字化操作。

采用自行编写的通过VC++6.0并结合VTK软件包的程序，数据格式为DICOM3.O，程序运行在Window2000操作系统上。内存256兆。

1.Markov随机场和Gibs随机场：

设F为定义在网格S上N基于N邻域Markov随机场，F满足如下非零非负性和Markov性条件关系式：

             P(f)＞0，∈{f}    (positivity)    (1.1)

$P\left(f_{i|}{f}_{S/\left\{i\right\}}\right)=P\left(f_i\right|f_{N_i}),\left(\mathrm{Markovianity}\right)---\left(1.2\right)$

1.1式中f为随机场F的构形或者说是F的一个实现。非零非负性是技术上的要求，随机场的每一种构形的概率为非负非零的。1.2式是对Markov的描述。它表明整个网格点上的数值对地址i点上的作用只由其邻域决定。在Markov随机场的实际应用中，目的主要是为了在给定的随机场F中寻找最大可能的构形。最优的构形f^*可以用下式表达：

$f^{*}=\arg \underset{f}{\max }P\left(f\right)---\left(1.3\right)$

如果我们用V表示可观测变量集合，用H表示隐含变量集合，用θ表示模型参数。最大期望方法可以进行如下表述：首先初始化模型参数为θ⁽⁰⁾，然后通过以下两个步骤反复叠代生成θ⁽¹⁾，θ⁽²⁾…

E过程：计算 $P^{\%\left(t\right)}\left(H\right)=P\left(H\right|V,{\mathrm{\θ}}^{(t-1)})t=\mathrm{1,2},....$ 这里是利用当前模型参数估计θ^(t-1)和观测到的变量值V来重新估计隐藏变量H的概率分布。

M过程：计算 ${\mathrm{\θ}}^{\left(t\right)}=a\arg {\max }_{{\mathrm{\θ}}^{\′}}{E}_{p\%\left(t\right)}\left[\log P(H,V|{\mathrm{\θ}}^{\′})\right]t=\mathrm{1,2},....$ 这里面是在假设隐含变量的概率分布估计正确的条件下计算模型参数的最大似然估计。

我们使用如下标记来描述EM分割。

I输入图像。

N输入图像中的象素数。

1)S＝{s|1≤s≤N}图像中I中象素索引集合。

2)M代表分割类别数。

EM分割将首先给出偏值场的估计值β^[0]，通过E过程和M过程，利用观测变量Y，依次估计出β^[1]，β^[2]，L，以及对应的分类W。

运用EM方法同质区域将被标记为相同的值。进而完成分割过程。

2.三维重建：

三维重建分为两大类方法：三维数据的体重建和三维数据的面重建。二者各有有缺点。三维数据的体重建一般应用于数据点间的间距较小，接近图像的分辨率的情况下。能够充分的反映出整个原始数据的全貌和细节。但所绘制出的图像不构直观清晰。采用体重建方法来可视化分割数据。体重建中以光线投射体绘制算法应用较广泛。

该算法假定三维空间数据f(x_i，y_j；z_k)分布再均匀网格和规则网格点上，流程图中的的数据预处理和数据分类已经再图像分割过程中已经基本上得到了实现，但还需要进行必要的格式转化和冗余数据的剔除。

3.颜色赋值：

在体绘制的结果图像中，需要显示图像的内部结构，因而需要生成具有透明效果的图像因此对每一个象素不仅需要根据分类结果赋予不同的颜色值(R，G，B)，而且海需要赋予不透明度值α。α＝1表示该物体完全不透明；α＝0则表示完全透明。由于各体的颜色是人为赋予的因此最终图像中的颜色是伪彩色。

图像重采样：从屏幕上的每一个象素点根据给定的观测方向发出一条射线，这条射线穿过三维数据场，沿着这条射线选择K个等距的采样点，并由距离某采样点的8个数据点的颜色值和不透明值作三次线性插值，求出采样点的不透明值和颜色值。显见在作重采样之前首先应将三维数据场由物体空间坐标转换成图像空间坐标。

图像合成：图像合成可以分成由前向后和由后向前两种图象合成方法。这里只介绍由后向前的图像合成方法。

设第I个体元的颜色值为C_now，不透明值为α_now，进入第I个体元的颜色值为C_in，不透明值为α_in，经过第I个体元后的颜色值为C_out，不透明度值为α_out

设初始颜色为C₀，最终颜色为C，第I个单元的颜色为C_i，不透明度为α_i，令设的I个单元的透明度为β_i，则β_i＝1-α_i

$C=C_0{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_{2}L{\mathrm{\β}}_n+C_1{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\β}}_{3}L{\mathrm{\β}}_n+C_2{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_3{\mathrm{\β}}_{4}L{\mathrm{\β}}_n$

$+C_{n-1}{\mathrm{\α}}_{n-1}{\mathrm{\β}}_n+C_{n}L$

${=C}_0\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\β}}_i+\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i{\mathrm{\α}}_i\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\β}}_j---\left(2.2\right)$

明暗计算：

通过明暗得计算可以增加图像得真实感，能够突出物质间得界面。明暗的计算是利用图像的法向量来进行的。由于没有面的信息因此必须求出等价的法向，才能进行明暗计算，在体绘制中用图像的梯度来代替法向量。图象的梯度可以由下式求得：

Grad_x＝f(x_i+1，y_j，z_k)-f(x_i-1，y_j，z_k)/2Δx

Grad_y＝f(x_i，y_i+1，z_k)-f(x_i，y_i-1，z_k)/2Δy

Grad_z＝f(x_i，y_j，z_k+1)-f(x_i，y_j，z_k-1)/2Δz

得到梯度值后既可用光照模型来计算图像的中各个数据点的漫反射分量。从而更加突出地显示图像数据地边界。

该算法假定三维空间数据f(x_i，y_j，z_k)分布再均匀网格和规则网格点上，流程图中的的数据预处理和数据分类已经再图像分割过程中已经基本上得到了实现，但还需要进行必要的格式转化和冗余数据的剔除。

4.局部分割生成闭合体及眼眶容积(内室体积)的计算：

闭合区域的选择——眼眶容积(内室体积)的计算：

要求三维立体的体积首先要计算其二维切面的截面积，通过前面的分割和闭合区域的选取，我们得到了一个三维闭合体。其每一个截面都有一个确定的边界。

截面面积可以写成截面所限区域D上地积分：

$S=\underset{D}{\∫\∫}\mathrm{dxdy}$

这里的C是区域D上的正向边界曲线，即截面的边界。由于截面的轮廓是由一些离散形值A₀，A₁，L，A_n构成。C没有一个明确的表达式，但C是一条分段光滑封闭曲线，由于这些轮廓线上的离散点是已知的，因此可以通过以弧长或弦长为参数采用样条插值来拟合出曲线。进而计算出截面的面积。

由于CT图像的图像间隔是等间距已知的。而且经过图像分割及闭合区域的选择过程，闭合区域的垂直于截面的径向最大值A最小值B也是已知的。因此所求不规则体的体积可表示为

$\mathrm{Volume}=\underset{B}{\overset{A}{\∫}}f\left(y\right)\mathrm{dy}$

A，B分别为闭合区域所在CT图像截面径向的上下界。f(y)为截面面积函数。

二、分层截骨在复杂颅面畸形矫正中的应用：

基本操作：

1、手术径路：头皮冠状切口入路，帽状腱膜层分离头皮瓣，广泛显露颅骨、颧骨、颧弓、眼眶、鼻骨、筛骨、上颌骨等，按术前设计对术区相关骨结构进行分片、分层截骨(需微型动力系统电锯和电钻)，以重建新的颅面结构或恢复受损的颅面外形轮廓。

2、分层截骨：多向分层截骨是对选定的受术区进行三维方向的分片、分段截骨，达成新的颅面轮廓或恢复受损的颅面外形；即将不规则的颅面骨从中间用锯或凿劈开，错开重置，将错开的骨架在新的位置固定。接触骨片间期望直接骨愈合，在严重颅面发育不良的病例，分层截骨后，选用骨牵拉装置渐进性移动劈开的骨片或骨段，以达到最小手术创伤下的颅面结构重建和减少复发，期望骨间隙内由牵拉成骨逐渐出现骨再生愈合。对软组织营养不良的区域进行分层截骨，可同时选用皮瓣或筋膜瓣(游离)移植以增加手术的成功率。

3、重置骨块的固定：术中徙位的颅眶骨架在新的位置即可予以微型钢板固定或钢丝结扎固定。移动后的骨间隙内可以植入小块自体骨、人工材料以作为外层颅面骨架的嵌接和支撑。

4、骨牵拉器(distraction)固定：如选择骨牵拉器置入劈裂截开的颅眶骨架间，其导引旋紧杆由眉或颧部皮下穿出，牵引板分别固定在截开的颧突或眶上缘骨面上。手术后旋紧导引杆，即可牵拉截开的颅眶面外层骨架，平均每天延长1.5-2mm。当达到合适的颅眶面外形后即停止骨牵拉，并维持牵开器6至8周。

过程：

(1)颅骨暴露：开颅，取下额颅骨板，在眶上缘水平作颅眶骨的分层劈裂式截骨，其范围沿额颅骨板、眶上缘、眶外侧及眶下缘。截骨后，整个颅眶骨架向前向外扩大，或向上向下移位，或以内侧单点固定作外侧的扇形展开。

(2)眶面部暴露：在颅下眶外侧及眶下缘作分层劈裂截骨，可以水平向和前后向移动截开的眶骨架，恢复眶颧外形。

(3)分层截骨：设计沿颅眶自然弧度作中间劈裂的截骨方法，采用术中即时徙位或置入骨牵引器术后徙位两种不同技术进行颅眶扩张。

(4)错位重置骨块的普通固定：术中徙位的颅眶骨架在新的位置即可予以微型钢板固定或钢丝结扎固定。移动后的骨间隙内可以植入小块自体骨、人工材料以作为外层颅面骨架的嵌接和支撑。

(5)骨牵拉器(distraction)固定：如选择骨牵拉器置入劈裂截开的颅眶骨架间，其导引旋紧杆由眉或颧部皮下穿出，牵引板分别固定在截开的颧突或眶上缘骨面上。手术后旋紧导引杆，即可牵拉截开的颅眶面外层骨架，平均每天延长1.5-2mm。当达到合适的颅眶面外形后即停止骨牵拉，并维持牵开器6至8周。

(6)合并应用带蒂组织瓣。一期扩大眼眶和重建眼结膜囊，以治疗幼年眼球摘除和放射治疗后的眼眶发育不良合并结膜囊狭窄的复杂畸形。此种情况通常先在颞部和耳后切开，解剖耳后皮瓣和颞浅筋膜瓣。耳后皮瓣的主要血供来自颞浅动脉的耳后降支，仔细显露后，上溯至颞浅动脉主干，予以保护。随后掀起颞浅筋膜瓣。耳后皮瓣和颞浅筋膜瓣共用颞浅血管，将耳后皮瓣旋转180度，穿入眶外缘截骨的间隙进入眼眶内，卷起缝合后再造眼窝内的结膜囊，边缘与残留的眼结膜缝合。颞浅筋膜瓣旋转90度，覆盖于眼眶外下缘大块截骨的表面，充填颞眶部凹陷和给予前移骨块良好的血供。

Claims (3)

1.一种影象叠加分层截骨方法，其特征在于：a.借助计算机图像处理、辅助设计，通过对颅面骨结构进行与实体匹配的仿真三维分割和重建，对受损颅面骨(包括眼眶)的外形和结构进行定性直至准确的定量分析；b.应用多向分层截骨法，精致重建颅面外形轮廓和重要结构，并减少植骨等功能损害。

2.根据权利要求1所述的一种影象叠加分层截骨方法，其特征在于：基本方法是以颅骨、眼眶为主要研究对象，基于骨结构CT数据资料的影象叠加，分割和重建颅骨、眼眶的外形和容积(1)颅面骨结构的测量资料系从符合DICOM 3.0的CT扫描机中获得数字化数据，应用VC++6.0并结合VTK软件包的处理软件，并在此基础上对数字化数据进行由点到面的测量、图形分割、图形叠加和图形的三维重建；(2)体积计算，通过分割和闭合眼眶内区域的选取，设定边界后，进行眼眶容积(内体积)测量并计算其二维切面的截面积(S)

$S=\underset{D}{\∫\∫}\mathrm{dxdy}$

由于CT图像的图像间隔是等间距已知的，而且经过图像分割及闭合区域的选择过程，闭合区域的垂直于截面的径向最大值A最小值B也是已知的。因此所求不规则体眼眶的内体积(V)可表示为

$\mathrm{Volume}=\underset{B}{\overset{A}{\∫}}f\left(y\right)\mathrm{dy}$

A，B分别为闭合区域所在CT图像截面径向的上下界。f(y)为截面面积函数；分别计算患侧眼眶和正常侧眼眶的眼眶容积；(3)以正常侧眼眶和患侧眼眶进行三维图形分割和叠加，并对不同眼眶容积进行比较；(4)游离于重叠部分之外的眼眶三维影象和两侧眼眶容积比较的差值，即为须重建眼眶的三维结构和容积参考。基于骨结构CT数据资料的颅骨、眼眶的影象叠加、分割和三维重建，辅以眼眶容积的计算和两侧比较，可以有效的指导手术设计和手术操作，对目前多发的颅眶部外伤后继发颜面不对称畸形有很好的临床参考价值。

3.根据权利要求1所述的一种影象叠加分层截骨方法，其特征在于：应用多向分层截骨法，精致重建颅面外形轮廓和重要结构，并减少植骨等功能损害，基本方法是(1)术前应用基于骨结构CT数据资料的图象分割和重建，对颅骨、眼眶、中面部的外形进行从二维到三维的仿真模拟，选取最佳的术后效果，并计算相关骨结构位置改变后的体积变化；(2)对选定的受术区进行术后效果的预测和评估；(3)头皮冠状切口入路，帽状腱膜层分离头皮瓣，广泛显露颅骨、颧骨、颧弓、眼眶、鼻骨、筛骨、上颌骨等，按术前设计对术区相关骨结构进行分片、分层截骨(需微型动力系统电锯和电钻)，以重建新的颅面结构或恢复受损的颅面外形轮廓；(4)分层截骨的方法为：将不规则的颅面骨从中间劈开，变一块骨为两块或多块骨，并进行错开重置，以达到理想的颅面轮廓外形，错开的骨架置于新的位置固定；(5)在严重颅面发育不良的病例，分层截骨后，选用骨牵拉装置渐进性移动劈开的骨片或骨段，以达到最小手术创伤下的颅面结构重建和减少复发；(6)对软组织营养不良的区域进行分层截骨，可同时选用皮瓣或筋膜瓣(游离)移植以增加手术的成功率。