三维可视化重建  展肌上缘动脉弓为蒂的可移植岛状皮瓣

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.31.010

中国组织工程研究

• 细胞与组织移植 cell and tissue transplantation • 上一篇下一篇

三维可视化重建展肌上缘动脉弓为蒂的可移植岛状皮瓣

谭为¹，李东生²，李旭¹，黄文华³

1南方医科大学第三附属医院骨科，广东省广州市 510630；2广西中医学院第五附属医院(玉林市中医院)骨科，广西壮族自治区玉林市 537000；3南方医科大学临床解剖学研究所，广东省广州市 510515

收稿日期:2013-03-07 修回日期:2013-04-16 出版日期:2013-07-30 发布日期:2013-07-30
通讯作者: 黄文华，教授，博士生导师，南方医科大学临床解剖学研究所，广东省广州市 510515 huangwenhuang2009@163.com
作者简介:谭为★，男，1986年生，湖南省益阳市人，汉族，2012年南方医科大学毕业，硕士，医师，主要从事骨科临床解剖学及数字医学研究。 tanwei19860724@163.com
基金资助:
国家高科技研究发展计划(863计划)项目(S2012AA022803)；广东省科技计划基金(2011B031800104)。

Three-dimensional visualizational reconstruction of pedicled island skin flap with arterial arch at the superior border of abductor hallucis muscle

Tan Wei¹, Li Dong-sheng², Li Xu¹, Huang Wen-hua³

1Department of Orthopedics, the Third Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510630, Guangdong Province, China; 2Department of Orthopedics, the Fifth Affiliated Hospital of Guangxi University of Chinese Medicine (Yulin Chinese Medicine Hospital), Yulin 537000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; 3Institute of Clinical Anatomy, Southern Medical University, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China

Received:2013-03-07 Revised:2013-04-16 Online:2013-07-30 Published:2013-07-30
Contact: Huang Wen-hua, Professor, Doctoral supervisor, Institute of Clinical Anatomy, Southern Medical University, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China huangwenhuang2009@163.com
About author:Tan Wei★, Master, Physician, Department of Orthopedics, the Third Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510630, Guangdong Province, China tanwei19860724@163.com
Supported by:
National High Technology Research and Development Program of China (863 Program), No. S2012AA022803*; Science and Technology Planning Project of Guangdong Province, No. 2011B031800104*

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前以展肌上缘动脉弓为蒂的岛状皮瓣设计依赖于临床医生的抽象思维，难以定量分析和交流学习，使其在临床上的推广使用受限。
目的：对展肌上缘动脉弓为蒂的岛状皮瓣进行三维可视化重建，建立该皮瓣动脉的可视化模型。
方法：选取新鲜成人标本1具，经胫前动脉与胫后动脉行明胶-氧化铅混悬液灌注后，足部64排CT扫描，并通过mimics10.0软件重建内踝前动脉、跗内侧动脉、足底内侧动脉浅支及其吻合支，观察展肌上缘动脉弓的形成、走形与分布情况。根据解剖结构的特点，对皮肤及其血管进行重建，获得立体形态的动脉皮瓣结构。
结果与结论：三维重建的各部位层次分明，展肌上缘动脉弓显示良好、实体感强、皮肤和动脉的相互关系一目了然，在三维重建的图像中清楚的观察各解剖结构的形态，特别是展肌上缘动脉弓的形成及其体表投影得到了很好的显示。结果表明展肌上缘动脉弓为蒂的岛状皮瓣三维重建对基础研究、临床试验及手术规划具有重要价值，为临床个性化手术方式的选择提供直观的参考，从而提高手术成功率。

关键词: 器官移植, 组织移植, 展肌, 岛状皮瓣, 足, 应用解剖, 数字化, 三维重建, 863项目

Abstract:

BACKGROUND: At present, design of pedicled island skin flap with arterial arch at the superior border of abductor hallucis muscle mainly depends on clinician’s abstract thinking, which makes it difficult for quantitative analysis and exchange learning, and makes it limited in clinical application.
OBJECTIVE: To perform the three-dimensional reconstruction of pedicled island skin flap with arterial arch at the superior border of abductor hallucis muscle, and to establish visible models of the flap.
METHODS: One fresh adult cadaver specimen was collected and perfused with the mixture of lead oxide-gelatine through anterior tibial artery and posterior tibial artery, and then received spiral CT scanning. The branch of anterior medial malleolus artery, medial tarsal artery and the superficial branch of medial plantar artery as well as its anastomotic branch were reconstructed with mimics10.0 software, in order to observe the constitute, track-way and distribution of arterial arch at the superior border of abductor hallucis muscle. According to the feature of anatomical structures, reconstruction was conducted in skin and vessel to obtain three-dimensional arterial skin flap structure.
RESULTS AND CONCLUSION: The layers of three-dimensional reconstruction were distinctively displayed, and the arterial arch at the superior border of abductor hallucis muscle was displayed well with strong physical sense and clear relationship between skin and arteries. The morphology of various anatomical structures could be bserved clearly on the three-dimensional reconstruction image, especially the formation of arterial arch at the superior border of abductor hallucis muscle and its surface projection. Three-dimensional reconstruction of pedicled island skin flap with arterial arch at the superior border of abductor hallucis muscle may provide great value for basic research, clinical experiments and surgical planning, and provide visual reference for the individual operation design and can be able to enhance the successful rate of surgery.

Key words: organ transplantation, tissue transplantation, adductor hallucis, island flap, foot, applied anatomy, digitization, three-dimensional reconstruction, National 863 program of China

中图分类号:

R318

谭为，李东生，李旭，黄文华 . 三维可视化重建展肌上缘动脉弓为蒂的可移植岛状皮瓣[J]. 中国组织工程研究, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.31.010.

Tan Wei, Li Dong-sheng, Li Xu, Huang Wen-hua. Three-dimensional visualizational reconstruction of pedicled island skin flap with arterial arch at the superior border of abductor hallucis muscle[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.31.010.

图/表（结果） 2

2.1 足部CT数据三维重建将明胶-氧化铅灌注好的新鲜成人足部标本进行64排CT扫描，得到1套完整的DICOM格式数据。图像中足部轮廓清晰，足部骨骼、软组织边界清晰，胫前动脉、胫后动脉、足背动脉、内踝前动脉、跗内侧动脉、足底内侧动脉、足底外侧动脉、足底内侧动脉浅支等及其属支显影良好，管壁边缘清楚，容易实现分割。利用Mimics软件重建的足部3D模型形态逼真、立体感强，其中包括内踝前动脉、跗内侧动脉、足底内侧动脉浅支等重要结构，各结构可分别着色、透明、独立或组合显示，以及360°旋转，经过不同角度观察，整体显示清晰，三维实体感强，真实反映了足部各动脉的分布、走形及与足部骨骼的体表投影，特别是足部各动脉间的吻合关系，见图1。

2.2 展肌上缘动脉弓的形成的三维解剖胫前动脉在踝部延续为足背动脉，此动脉胫内侧由近向远端依次发出内踝前动脉、跗内侧动脉、第1跖背动脉、足底深支。内踝前动脉于踝间线(内、外踝尖连线)上方，起于胫前动脉。内踝前动脉自胫前动脉发出后，走形于跟骨、足舟骨及内侧楔骨内侧面，于舟骨转子上缘分出前、后支。跗内侧动脉于踝间线下方起始于足背动脉，主干斜向前下沿内侧楔骨表面走形，于内侧楔骨下缘分为前、后两支。胫后动脉在踝管投影处分支为足内、外侧动脉，足内侧动脉于舟骨转子后下方发出足底内侧动脉深、浅支，足底内侧动脉浅支在舟骨转子附近发出3支皮支分别与胫后动脉、胫后动脉跟支、腓动脉深穿支或终末支等吻合成动脉网，浅支在足舟骨转子前方分成内侧支和内浅弓支，沿第1跖骨跖侧前行，于第1跖骨远端与第1跖底动脉及其分支相吻合。
足底外侧动脉在前足延续为足底弓，与足背动脉发出的深穿支吻合，并发出第1跖底动脉，此动脉由第1、2跖骨间隙走行至第1跖骨颈部，分为胫侧和腓侧两终末干，在第1跖底动脉起始处发出第1跖骨底胫侧动脉，共同形成“4Y吻合”结构[12]。第1跖骨底胫侧动脉发出上行支和下行支，上行支延续形成趾底内侧动脉浅支，此动脉分支在第一跖骨颈与趾胫侧趾底固有动脉吻合，继续前行与趾远端与趾腓侧趾底固有动脉形成动脉网吻合。根据展肌上缘动脉弓分型，属于3型。内踝前动脉、跗内侧动脉及其发出的前后支与“4Y”结构、趾底内侧动脉浅支和足底内侧动脉浅支等吻合形成展肌上缘动脉弓，成为跗内侧与足底内侧动脉网的轴心线，见图2。

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引言

材料方法

设计：足底内侧皮瓣三维重建，观察性实验。

时间及地点：实验于2012年3至7月在南方医科大学人体解剖教研室及南方医科大学第三附属医院骨科完成。

材料：

标本：由南方医科大学人体解剖学教研室提供足部新鲜标本1具，行64排CT扫描检查并排除可能改变血管解剖结构的病理状态。

CT扫描仪：德国SIEMENS公司双源CT(SOMATOM Definition)扫描仪。

重建软件：交互式医学图像控制系统Mimics 10．0(Materialise’s interactive medical image control system)(比利时Materialise公司开发生产，由南方医科大学生物力学实验室提供)。

方法：

数据的获取：取新鲜捐献成人尸体足部标本1具(踝间线上方10 cm离断)，夹闭足部近端组织，采用明胶-氧化铅从胫前动脉、胫后动脉及腓深动脉灌注^[9-11]。自然状态下存放1 d后，对足部标本进行连续螺旋64排CT扫描，扫描条件：120 kV，300 mA，参数：扫描层厚为0.5 mm，数据量为932张扫描图片。

图像可视化研究平台：

硬件平台：采用Lenovo便携式个人计算机，CPU为Intel酷睿2双核T6400，内存2 G，图形卡为NVIDIA GeForce 9300M GS。

软件平台：操作系统为Windows XP，三维重建软件为专业化的交互式的医学影像控制系统mimics10.0。

三维重建：将扫描所得CT描图像数据以二维输入DICOM格式输入交互式的医学影像控制系统，储存数据。利用Mimics图形工作站自身所携带的工具分别对足部骨骼、动脉及软组织进行提取，采用表面重建的方法对各提取结构进行三维重建，并着重针对展肌上缘动脉弓及其形成的血管进行3D可视化。

主要观察指标：观察内踝前动脉、跗内侧动脉、足底内侧动脉浅支及其吻合支的走形及相互吻合情况，观察展肌上缘动脉弓的形成、走形与分布情况。

讨论

3.1 展肌上缘动脉弓为蒂的岛状皮瓣特点足底内侧皮瓣血供为足部非主要动脉，供区为非负重区，切取后对足的血供和足的负重、行走、奔跑等功能影响较小，部位隐蔽、质地薄、有感觉神经，同时足内侧皮瓣因位置恒定、转位灵活、不影响足的美观和功能，是目前修复足前部皮肤缺损的理想皮瓣^[13]。展肌上缘动脉弓为蒂的岛状皮瓣是在足底内侧皮瓣基础上的发展，该皮瓣为多源性血供皮瓣^[14]，以展肌上缘动脉弓为蒂，为跗内侧与足底内侧动脉网的轴心线，由内踝前动脉、跗内侧动脉及其发出的前后支与“4Y”结构、趾底内侧动脉浅支和足底内侧动脉浅支等吻合形成。自陈茂林等通过对足内侧皮瓣血供的观察，发现并命名展肌上缘动脉弓后，许多学者进行了相关研究，毛海蛟等^[14]报道了展肌上缘动脉弓由内踝前动脉、跗内侧动脉及其发出的前、后支与趾底胫侧动脉浅支和足底内侧动脉浅支吻合形成。也有学者将展肌上缘动脉弓称之为足内侧血管链。李常辉等^[12]发现足内侧血管链由足内侧缘动脉、跗内侧动脉、足底内侧动脉深支的内侧分支及“4Y”构成。作者在前期研究中^[15]，根据展肌上缘动脉弓的形成将其分为3型：Ⅰ型：内踝前动脉与跗内侧动脉型：主要由内踝前动脉、跗内侧动脉及其分支形成。Ⅱ型：足底内侧动脉浅支型：主要由足底内侧动脉浅支及其分支形成。Ⅲ型(混合型)：由足底内侧动脉浅支与内踝前动脉、跗内侧动脉及其分支相互吻合形成。根据吻合形式的不同，又将其分为两个亚型，Ⅲ₁型：直接吻合型：内踝前动脉、跗内侧动脉发出后直接与足底内侧动脉浅支及其分支吻合形成；Ⅲ₂型：间接吻合型：内踝前动脉、跗内侧动脉发出后与足底内侧动脉浅支及其分支相互吻合成环形形成。根据展肌上缘动脉弓的形成^[16]、走形及分布情况，展肌上缘动脉弓逆行岛状皮瓣可设计3种术式修复前足底皮肤缺损，以内踝前动脉与跗内侧动脉为主要供血动脉、以足底内侧动脉浅支为主要供血动脉或以3条动脉共同为主要血供动脉；可设计两种皮瓣转移点以第一跖骨颈或第一跖趾关节以远为转移点，使该皮瓣血管蒂长、可切取面积大，增加了临床应用的灵活性。目前，以展肌上缘动脉弓为蒂的岛状皮瓣设计依赖于临床医生的抽象思维，难以定量分析和交流、学习，使其在临床上的推广使用受限。本研究中，采用比利时Materialise公司研发的交互式医学图像控制系统Mimics软件通过阈值分割、区域生长和动态区域生长将图像分割，并进行三维重建，以上的解剖特点在本文结果中得到了直观而充分的体现。重建的展肌上缘动脉弓3D模型形态逼真，立体感强，可以准确反映皮瓣的解剖结构，提供正常展肌上缘动脉弓为蒂的岛状皮瓣三维动态解剖。为展肌上缘动脉弓皮瓣手术设计、手术演示及研究开辟了全新的模式与手段。

3.2 数字化三维重建方法在皮瓣血管系统显示方面的应用随着临床外科技术的发展以及计算机辅助三维重建技术的迅猛发展，三维重建技术在医学领域的研究与应用日益广泛^[17-19]。三维重建技术是近年来计算机图像处理的一个热点研究方向，广泛应用于人体骨骼、血管、皮肤等器官和结构的研究。近年来，已有研究者试图利用三维软件来解析皮瓣的血供基础^[20-26]。通过对人体标本进行血管灌注与放射造影，从三维立体角度对局部区域的血管进行研究，是近年发展起来且日臻成熟的血管研究方法^[10]。该方法通过血管灌注与造影，利用计算机软件对血管进行三维重建，从不同角度、不同层次对该区域的血管进行三维显示，可使用透明等方式展示该区域的血管走行、分布，对该区域皮瓣的设计提供直观且实用性强的解剖学基础。重建皮瓣的三维解剖结构为立体的观察皮瓣血供情况以及制定最佳的手术入路和手术治疗方案奠定基础，实现由二维平面解剖向三维立体解剖和数字解剖的发展。研究者可以从不同层面、不同角度对血管与组织间的关系进行观察与描述，通过透明处理还可以清楚观测到血管在组织内部的走行情况。还可以利用软件在三维空间内测量血管的长度与分支角度。

传统解剖学研究方法是使用解剖刀、剪进行分离，用游标卡尺和量角器进行测量。这种方法直观、真实、与临床手术环境相似，是至今仍然沿用，并不可完全替代的方法。由于此方法无法显示细小血管，显示费时费力、容易失败，以及无法充分显示立体结构^[27]。自1936年 Michel Salmon等通过采用氧化铅明胶尸体灌注技术展示皮肤内血管结构以来^[17-19^，^28-29]，该技术得到了广泛应用和改良，已成为血管显示的金标准^[26,30-34]。它可以清晰地显示血管及其他管道结构，这种技术对临床应用培训及研究都很有意义。然而，由于铸型标本的技术特点，每制作一件铸型标本就需要使用一个人体标本，决定了铸型标本的不可复制性。

近年来皮瓣血管可视化研究逐步开展，打破了传统的皮瓣观察与设计的模式^[35-37]。精确的三维重建提供人体管道结构在空间中的准确定位，精确的三维数据测量及立体形态的多方位显示对局部血管病变的影像诊断、临床治疗，尤其是手术治疗具有十分重要的指导意义。相对于前几种方法而言，三维重建方法拥有不可比拟的直观、准确与可重复性。数字三维重建技术在临床实践中的成功应用，为开展皮瓣血管形态学研究提供了新的手段和发展空间。重建皮瓣的三维解剖为立体的观察皮瓣血供情况以及制定最佳的手术入路和治疗方案奠定了基础，实现了由平面解剖向立体解剖和数字解剖的发展。

随着CT、MRI容积技术研究组织瓣血供基础的不断深入^[38]，对重建组织瓣的切取越来越精细，且定位要求越来越高，在三维组织瓣的空间里研究人体内小血管、小神经的分布，成为了今后组织瓣数字解剖学研究的发展方向^[39]。然而，小血管、小神经的精确重建却在过去的很长一段时间里困扰着解剖学者及临床医师。近年来，楼新法等^[10]进一步改良明胶-氧化铅灌注技术，并通过运用数字化图像处理技术对全身动脉进行可视化研究，为组织瓣的血管基础重建研究提供了新的方法。该方法可非常直观且准确地标定某一动脉的分布区域，进而可对其供血范围进行较为精确的直接测量^[40]，使血管的数字解剖学进入了真正的实用阶段。原晓景等报道了髋关节周围血管的螺旋CT三维重建可清晰立体地显示出三四级血管支^[41-42]。这些研究的开展都显示着三维重建技术在组织瓣血管基础的研究、临床诊断治疗及疾病预后分析等方面有着广阔的应用前景。

3.3 血管数字三维重建存在的问题及未来的发展研究中设计肢体末端毛细血管网丰富，动脉灌注时，灌注压掌握非常困难，压力过大容易导致灌注乳胶通过毛细血管到达静脉，重建足部末梢血管时，容易混淆动静脉。另外，由于CT扫描的层厚设为0.5 mm，因此直径小于0.5 mm的血管无法显影，或显影不连续在三维重建时被过滤，从而导致在三维重建的足部血管网图形上出现一些无血管区(如动脉造影而重建的足跟部、足趾尖部和足底部等)，在铸型标本上可以看见的小血管网在三维图像上无法显影重建。要解决这一问题，必须保持血管的适当弹性、掌握好动脉灌注压力、在CT扫描时减小层厚，而如果这样做则会增加标本的新鲜程度、CT影像数量，提高对标本及CT机配置的要求，更大的问题是增加重建的成本、工作量及计算机的负荷，过大的计算机工作量会超出普通电脑的能力，使重建工作无法完成。

随着三维重建技术的应用与推广，近年来不少科研机构和单位对原有重建技术和人体数据集提出了新的需求：①2002年在美国举行的第4次可视人国际会议上，可视人研究先驱Spitzer等^[43]认为有3个具有挑战性的问题，就是分割、分割、再分割。图像的准确分割，是器官和组织三维重建的基础。数据集作为数字人研究的基础，决定了数据图分割的精度和速度。②人体切片数据集的构建要特别重视质量而非数量，随着数字医学的提出和近年来的不断发展壮大，科研单位对局部更为关注。因此，重建不仅要有大体宏观的解剖重建，更需要有针对性，可供各种医学专科开发应用的局部重建技术，如：对细小毛细血管分割与显影、重建；不仅要能采集大体解剖的数据集，还要与时俱进构建组织学、细胞学的数据集。虽然目前学者们基于中国数字人数据集、CT、MRI等数据集图像对一些器官和系统进行了分割和三维重建，并开展了几何、物理和生理建模、虚拟手术以及医学可视化等方面展开了研究，并取得了一些的研究成果，但是仍存在着一些普遍的问题，比如：①缺少利用多模图像信息，面向虚拟手术研究需要的可交互的器官物理模型构建的完整的器官形态学矢量化模型。例如，从数字人数据分割构建的器官几何模型是静态的，无法用来构建心脏等动态的器官模型。这就要求在数字化人体数据集的基础上，辅以活体的MRI或者CT数据，将多图像信息融合，构建动态的、具有完整动作周期的的器官几何模型。②器官和系统的分割、重建和可视化的研究较多，而更进一步的器官表面的的矢量化研究少。这是因为几何建模的目的不同造成的。前者的研究更重要的是如何精确重建和可视化数据集，是个体化的重建和可视化，结果与数据集越一致越好。而用于虚拟手术的几何模型则没有这个要求，但是要求模型具有更加连续和平滑的表面，便于实时进行交互。

综上所述，数字三维重建还存在许多值得探讨与研究的领域，随着计算机技术、医学技术等多学科的发展与交叉融合，相信在不久的将来这些问题都将得到完美的解答。

三维可视化重建展肌上缘动脉弓为蒂的可移植岛状皮瓣

Three-dimensional visualizational reconstruction of pedicled island skin flap with arterial arch at the superior border of abductor hallucis muscle

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