移动式C型臂X射线机图像拼接在骨科手术中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.17.011

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (17): 3117-3123.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.17.011

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移动式C型臂X射线机图像拼接在骨科手术中的应用

谢加兵，徐祝军，丁国正，周茂生，汪正宇，朱劲松，杨民

皖南医学院弋矶山医院创伤骨科，安徽省芜湖市 241000

收稿日期:2012-08-24 修回日期:2012-10-05 出版日期:2013-04-23 发布日期:2013-04-23
通讯作者: 杨民，副教授，皖南医学院弋矶山医院创伤骨科，安徽省芜湖市 241000 yjsyygk@sohu.com
作者简介:谢加兵，男，1981年生，安徽省枞阳县人，汉族，医师，主要从事脊柱四肢创伤方面的研究。 yjsyyxjb@126.com
基金资助:
安徽省卫生厅科研项目(2010C065)，芜湖市科技计划项目(卫生类-2-9)，皖南医学院弋矶山医院三新项目及引进人才科研基金(Y12008，YJRC200910，YJRC200907)

Mobile C-arm X-ray image-splicing techniques applied in orthopedic surgery

Xie Jia-bing, Xu Zhu-jun, Ding Guo-zheng, Zhou Mao-sheng, Wang Zheng-yu, Zhu Jin-song, Yang Min

Department of Orthopaedic Trauma, Yijishan Hospital of Wannan Medical College, Wuhu 241000, Anhui Province, China

Received:2012-08-24 Revised:2012-10-05 Online:2013-04-23 Published:2013-04-23
Contact: Yang Min, Associate professor, Department of Orthopaedic Trauma, Yijishan Hospital of Wannan Medical College, Wuhu 241000, Anhui Province, China yjsyygk@sohu.com
About author:Xie Jia-bing, Physician, Department of Orthopaedic Trauma, Yijishan Hospital of Wannan Medical College, Wuhu 241000, Anhui Province, China yjsyyxjb@126.com

摘要/Abstract

摘要：

背景：在脊柱和长骨骨折等骨科手术治疗中，获取骨折部位的完整骨结构图像对于监控和评价骨科术中效果具有十分重要的临床意义。
目的：探讨移动式C型臂X射线机图像拼接技术在临床骨科手术中的应用效果。
方法：对骨科手术部位的脊柱和长骨进行C型臂X射线机透视并采集2-4幅图像，经过图像拼接软件将图像多区域重叠，进行图像拼接技术处理后得到脊柱和长骨骨折内固定手术部位的1张全景图像。
结果与结论：移动式C型臂X射线机图像拼接技术处理后能在1张照片上获得脊柱和长骨骨折内固定手术部位全景图像，能较清晰、完整地显示脊柱和长骨的全景，并有助于术者在术中及时地了解和评估骨折部位的对位、对线情况，且能进行长度和角度测量，为进一步提高手术质量提供强有力的支持。

关键词: 骨关节植入物, 骨与关节图像与影像, C型臂X射线机, 全景成像, 拼接技术, 骨折手术, 胫骨, 股骨, 脊柱, 微创, 图像拼接, 省级基金

Abstract:

BACKGROUND: In the treatment of orthopedic surgery of the spine and long bone fractures, obtaining the complete bone structure image of the fracture part has great clinical significance for monitoring and evaluating the intraoperative effect of orthopedic surgery.
OBJECTIVE: To investigate the clinical application of mobile C-arm X-ray image-splicing technology in orthopedic surgery.
METHODS: The spine and long bone in the surgical site took the X-ray C-arm fluoroscopy in order to obtain 2-4 images. The image mosaicing software was used to multiple regional overlap the images, and then a panoramic image of spine and long bone on the surgical site was obtained after treated with image-splicing technology.
RESULTS AND CONCLUSION: A panoramic image of spine and long bone on the surgical site was obtained on one photo after treated with C-arm X-ray image-splicing technology, which could display the overall view of spine and long bone clearly and completely, help the surgeon to understand and evaluate the contraposition and alignment situation timely, thus measure the length and the angle. It can provide strong support for the further development of the surgical quality.

Key words: bone and joint implants, photographs and images of bone and joint, C-arm X-ray machine, panoramic imaging, splicing technology, fracture surgery, tibia, femur, spine, minimally invasive, image-splicing, provincial grants-supported paper

中图分类号:

R318

谢加兵，徐祝军，丁国正，周茂生，汪正宇，朱劲松，杨民. 移动式C型臂X射线机图像拼接在骨科手术中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(17): 3117-3123.

Xie Jia-bing, Xu Zhu-jun, Ding Guo-zheng, Zhou Mao-sheng, Wang Zheng-yu, Zhu Jin-song, Yang Min. Mobile C-arm X-ray image-splicing techniques applied in orthopedic surgery[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(17): 3117-3123.

图/表（结果） 3

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引言

材料方法

设计：自身观察。

时间及地点：实验于2011年1至6月在皖南医学院弋矶山医院创伤骨科完成。

材料：PHILIPS移动式C型臂X光机透视系统(型号：BV Libra)，配以医学影像工作站自带图片储存系统、图片转化软件系统以及CANON处理图像的PhotoStitch 3.1CH软件，图像转换和拼接均在图像处理工作站完成，并由激光打印机打印胶片。

方法：

投照方法：术前均进行移动式C型臂X射线机和骨科可透视床的电源、透照距离和操作范围的评估。术中C型臂X射线机应当保持同一水平位进行投照，透照部位要有相对的标记物(如内固定物、骨折块、克氏针等)作为标记，投照时不能移动体位和标记物，其标记物应在两次捕获的图像上。

投照步骤在双下肢成像方面：将球管调节到合适高度，再将患肢垫高后位于透照球管和接收器之间，采取标准解剖学姿势，垂直于患部移动，进行透照2-4次，分别拍摄股骨或者胫腓近端、中段、远端骨图像，使患肢相邻的远、近端金属内固定物或标记物完全包括在成像范围内，采集完成后传至图像处理工作站。

在脊柱成像方面：患者俯卧位或者仰卧位，双上肢向前或向后，并固定其上肢，使其在透照过程中防止重影。沿患部的长轴移动，进行透照2-4次，分别拍摄脊柱内固定物的图像，使其患部的上、下段金属内固定物或标记物完全包括在成像范围内，存储图像并转至图像处理工作站。

图像处理方法：在图像处理工作站中将有用的已进行透照2-4次的图像转化为JPEG格式，保存到同一文件夹中，然后用CANON处理图像的PhotoStitch 3.1CH软件进行操作，将转化的JPEG格式图片进行选择和排序、合并时根据具体情况进行指定重叠区域或者指定的两个及多个区域的合并来调整图像，生成术中所需满意的脊柱和长骨骨折固定部位的完整图像，拼接完成后，调整窗宽窗位，将全景图像保存并用激光打印机打印图片。具体操作路线：将透照2次以上图片转化成JPEG格式图像并保存到PhotoStitch 3.1软件中，打开相应文件路径中的PhotoStitch 3.1软件，打开合并图像菜单并在“选择和排序”栏中打开文件，然后选择所需图片，分别进行排序、合并、开始、显示接缝、点击接缝处、点击指定重叠区域或者指定的两个及多个区域、选择合适部位重叠、确定、调整图像，最终获得全景图片并保存图像，在整个操作过程所需的时间大约2 min。

主要观察指标：①拼接后图像骨皮质边缘的连续性。②拼接图像金属内固定物的外形。③图像的对比度和灰度。④图像的完整性。

讨论

目前新型医学影像设备的发展较快，已有一次完成全身的影像设备检查的问世^[6]，也有大投照范围的可移动式C型臂X射线机，但这些设备可移动操作受到限制，投照全景的范围还是有一定限制，且价格昂贵，因此大多数医院难以配备。故而在获取全景图像还是需要进一步对图像处理而达到。

在术中对骨折内固定部位全景成像的原理是通过移动式C型臂X射线机多次透照，将转化JPEG格式的多幅照片图像局部重叠区域的图像配准而实现。其配准技术有基于面积法和基于特征法两种方法，本文采用PhotoStitch软件在基于特征法技术上实现全景拼接，在一个图像上选择在两个图像上显示的区域，将此区域拖动到另一个图像的适当位置上，这样选择两个或者多个区域(最好是分开的区域)进行重叠并合并形成全景图像。

其一、图像格式的应用：JPEG图片格式是一种常见的图像格式，该压缩技术是具有低复杂、无损或接近无损的压缩性能^[7]，能去除彩色数据和冗余的图像，在获取较高的压缩同时，并能展现比较生动的图像，其压缩比例控制在5∶1以内，一般目测不影响其分辨率的变化^[8]，也就是说可以用最少的磁盘空间得到较好的图像质量，且采用平衡象素之间的亮度色彩来进行压缩，这样更加利于表现由朦胧到清晰且带有渐变色彩的显示图像，使JPEG图像格式在拼接运行时的时间较短，并且多数软件对其具有识别和传输功能，故采用JPEG图片格式作为拼接图像格式。

其二、图像拼接软件的应用：随着计数机技术不断发展，其图像拼接软件也较多且功能不断完善，首先是Photoshop技术的不断革新，尤其是Photoshop CS版本，它提供了色阶和自动色阶、亮度-对比度和自动对比度、曲线和直方图、以及合并可见层等图像合成和编辑工具，可以将2张及以上图像编辑后合并成1幅完整的图像，它引入了图层概念，给图像的编辑和合并带来了极大的便利^[9-10]。其次应用 Fotocanvas软件拼接全景图像，其尽可能保持需要部位相同的放大比例和最小的放大失真；也具有Photoshop CS版本的图像合成和编辑工具功能；选择水平走向的骨骼边缘或标记物为标记点易于拼接；调整图像为透明状，对标记点易于找到^[11-12]。由于Photoshop和Fotocanvas软件所需内存较大，操作也较复杂。而Canon图像处理软件PhotoStitch 3.1的应用，它所需内存较小，只有几兆的内存，具有图像合成和编辑工具的功能，且启动运行时间短，操作简单易学^[13]。并且能够熟练掌握对图像转换等软件的操作技术，可减少医生术中耽搁时间，另外该软件还具有指定的两个及多个区域的选择重叠进行拼接，包括对多个骨骼边缘和标记点部位进行选择来拼接成完整的图像，这样减少了图像拼接误差，临床实际应用中PhotoStitch 3.1拼接的图像密度均匀性、拼接质量及临床测量均能够达到术中医生对其骨折部位的整体观察的质量效果及医疗的需要，从而使医生能够及时的准确的对骨折部位复位和固定整体效果的评估。

利用可移动式C型臂X射线机在术中进行进行图像拼接，其相关的临床应用具有相当高的临床价值，国内学者主要在术前常规检查中应用，主要用于双下肢和脊柱的影像拼接，但其拼接后的图像效果参照对比性有所欠缺，另外术中的临床应用也较少报道，只有赵春鹏等^[5]和王军强等^[4]进行术中模拟试验研究，对胫骨骨折的模型和胫骨尸体的骨折标本进行研究和应用，尤其是对术中牵引复位的效果进行图像拼接和图像分析，进行移动式C型臂X射线机投照并采集多幅C臂图像，拼接一幅完整的胫骨图像，对胫骨的长度进行测量，该研究表明术中可完成骨折手术和复位图像分析，以及骨折复位技术效果等关键操作，为骨科虚拟计算机辅助手术系统为长骨骨折搭建了相关的技术平台，但缺少与常规全长对比性和临床数据的研究。而作者在临床中进行术后常规全长DR进行可视化对比分析，以及在具体临床手术中的应用，作者在临床研究中发现图像拼接时也存在着一些具体的要求和变化，首先转换图像格式和拼接的软件均对图像质量的等级评价有着不同程度的影响。其次是术中对C型臂X射线机操作要求，术中要求移动式C型臂X射线机的操作要熟练和无菌观念，操作时应使透照部位和C型臂X射线机始均保持同一水平高度平行移动，不能改变透照角度、患者体位和C型臂X射线机的位置；以及对移动式C型臂X射线机的曝光参数的选择，应限制其曝光量宽容度大的特点，使得曝光条件不需要像屏片系统那样，必须非常精确地设置才能保证图像质量，即使摄影曝光条件设定得高一点也不会出现废片^[14-15]。所以术中要减少图像拼接的误差：采用的JPEG图像格式具有无损或接近无损压缩性能；PhotoStitch 3.1软件具有指定的两个及多个区域的选择重叠进行拼接；且术中对C型臂X射线机的操作要熟练，保持投照角度处于同一水平和合适的曝光参数，以及术中体位不能更改。这些均能减少图像拼接时带来的误差，实验中37例患者术中经图像拼接的图片和术后DR全景图像比较，无明显骨皮质连续性异常、金属内固定物的外形改变和图像清晰度模糊现象，均能够明确地表现出所需的骨骼全景图像。但是，拼接图像的密度均匀性有所欠缺，但拼接的图像不影响术中医生对骨折复位内固定部位的整体效果和评价。

另外，随着现代生产生活方式的改变，创伤的种类也经历了巨大的改变，正在由低能量损伤过渡到高能量损伤。骨折以包含多种软组织损伤的复杂骨折多见，同时造成了骨折端血运的严重破坏，给这类骨折临床救治带来了极大的困难。传统的方法治疗该种损伤势必会导致感染增加、骨折不愈合、骨折延期愈合及内固定失败等诸多的并发症，导致病残率显著增加。极大的浪费了有限的医疗资源，给社会带来了沉重的负担。基于以上的原因，国内外多数学者采用微创稳定系统技术和微创钢板接骨技术，进行复杂性四肢骨折的微创治疗^[16-20]。达到节约医疗费用、降低病残率的目的。但该项技术在术中需要相关影像系统作为评估，尤其是骨折复位的效果和钢板置放的位置均需要评估，因可移动式C型臂在术中透视时投照范围有限，不能够对微创技术治疗复杂性骨折的对线和对位有一个整体的及时判断，所以通过移动式C型臂图像拼接技术完成全景图像，此时，就能够对骨折部位的对位对线的整体效果得到及时判断，如果有骨折块或骨折端移位、对线不良、骨骼或与钢板贴服不够，以及钢板不在骨骼的中心线上，可采用牵开复位器、外固定支架、经皮复位钳、提拉钉等有助于复位的工具进行复位，这样有利于指导骨折整体复位和长钢板的置放达到最佳效果^[21-24]，对骨折预后也能得到较好的评估。课题组在典型病例1股骨复杂性骨折微创稳定系统技术治疗中，经移动式C型臂图像拼接技术拼接完整的股骨全长图像，及时判断了股骨的力线和对位情况，有利于股骨骨折的微创治疗；而典型病例2中，是对胫骨复杂性骨折采用微创术中的图像拼接技术，及时判断胫骨的力线和对位，并在第三骨折块部进行提拉钉提拉后行螺钉固定，使复杂性胫骨骨折对位对线的复位效果满意；这样，应用可移动式C型臂图像拼接技术对微创治疗复杂性四肢骨折，相对于切开直视下复位，具有更高的临床意义和应用价值。

总之，通过移动式C型臂X射线机图像拼接技术的全景成像能够及时、有效地满足了骨科医生在术中重构脊柱和长骨骨折复位内固定部位全景图像的需要，能够在术中对骨折复位和固定部位的整体效果得到及时的评估，为进一步提高手术质量提供强有力的支持。

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