基于三维图像的虚拟切口模式规划优化手术

摘要：
并指畸形是一种以手指融合为特征的先天性疾病。如果在婴儿期没有正确对待，则可能会妨碍手部功能的正常发展。已经开发了许多外科手术技术，其主要目标是创建具有最少数量的手术矫正的功能性手。因此，重建手术的准确术前计划是必不可少的。通常用于术前计划的成像方法是三维（3D）表面成像。本研究的目的是通过设计基于3D手部图像的并指基过程的虚拟规划工具，在手外科中实现该技术的使用。制作硅同步模型的3D图像，其上实际上设计了切口图案。印刷该图案的手术模板，放置在硅模型上并描绘。计算从虚拟描绘到实际描绘的转移精度，得到0.82mm的平均差。该第一步表明通过使用3D图像，可以通过使用模板以简单且准确的方式成功地创建虚拟切口图案并将其传送回患者。此后，制作3个同时患者的3D手部图像，并创建单独的虚拟切口图案。通过使用3D打印模板将每个图案转移到患者身上。在进行手术之前，外科医生需要对所得到的切口图案进行微小的修改。进一步的研究和验证对于开发并指化程序的虚拟计划是必要的。

介绍
最近将三维（3D）立体摄影测量成像引入手外科领域.1,2该技术的优点是缺乏辐射，成本效益和良好的患者耐受性。它允许准确，立即可用的3D软组织手部图像。

为了证明其在临床实践中的有用性，作者在并指化过程的术前计划过程中使用3D手部图像。 并指畸形是一种先天性异常，其中手指融合。每个患者都需要术前对综合手中的软组织和骨组织元素进行评估，并使用常规放射图像和计算机断层扫描（CT）图像进行评估.3 Hynes等[3]发现CT血管造影引导下相邻网空间的释放有益于患者。然而，CT成像具有许多缺点，例如辐射，成本和用于儿童时麻醉的需要.4,5到目前为止，还没有无害的成像技术来评估3D方法中的软组织。本研究的目的是通过设计一种方法来虚拟地计划用于去除手术的程序并将该计划转移到患者身上，从而在手外科中实施3D立体摄影测量。

主题和方法
成人受试者的3D图像被制作成模拟并且缩小到普通幼儿大小的手。这被用作创建硅并指畸形模型的参考，并创建了该模型的新3D图像。所有图像均使用3dMD系统（3dMD系统，佐治亚州亚特兰大）获得，其由5个荚组成，总共15个相机。将获得的3D图像加载到3ds Max 2016（Autodesk Inc，San Rafael，CA）中。此后，由3ds Max中有经验的手外科医生（T.W.）在背侧虚拟地计划切口图案（图1（图1）.1）。使用模型的透明过滤器设置，外科医生能够使用背侧作为参考来计划手掌侧（图（图2）.2）。为了将虚拟计划转移到硅模型，使用Laser-Sinter-System EOS P 396 3D打印机（Oceanz，Ede，Netherlands）设计并打印患者特异性手术模板。然后可以将该模板精确地放置在硅并指模型上（图（图3），3），之后可以用记号笔标记计划。为了评估虚拟计划到模型的转移，获得了具有标记的该模型的另一个3D图像。将该图像加载到Maxilim（Medicim，Leuven，Belgium）中并使用迭代最近点算法与虚拟计划匹配。此后，地标被放置在虚拟计划和真实描绘的角落，以计算准确性。接下来，获得3名患者（2名男性，1名女性，平均年龄，3.2岁）的3D图像，并且外科医生（T.W.）计划虚拟切口模式。该计划在术前转移到患者身上。术后，获得了使用该模板的外科医生的经验。


图.1。
在3D图像上绘制切口图案。 该图显示了虚拟计划的切口图案，绘制在3ds Max中的并指模型的3D图像的背侧。


图2。
手掌切口样式图画在3D透明图象的。 如图所示，3D图像变得透明。 通过使用这种透明模型，外科医生能够参照背侧计划手掌侧。


图3。
模板适合硅并指模型。定制的模板被放置在硅并指模型上。此后，可以用记号笔标记计划。

结果
虚拟计划过程很容易执行，因为可以从任何可能的角度查看模型，并使用透明过滤器设置，可以在手掌侧绘制背侧的精确镜像。该模板与硅模型精确匹配，生产成本非常低（平均50欧元，包括规划过程）。使用记号笔，很容易在表面上绘制描绘。计算与真实描绘相比的虚拟轮廓上的标记的准确度，得到0.82±0.32mm的平均差。正如外科医生所报告的那样，将切口图案转移到患者身上很容易和快速（图（图4），4）。发现模板非常有助于从前到后复制描绘。在进行手术之前，外科医生需要对所得切口图案进行微小修改，而不是修改原始手术计划。手术没有任何问题，手术效果令人满意。


图4。
术前使用模板。使用模板可以轻松快速地将切口图案转移到患者身上。

讨论
并指畸形是最常见的四肢先天性疾病中的一种，其中当未及时治疗时可能妨碍正常的手部发育。 并指化程序的基本原则已经广泛建立.6-9为了达到创建功能性手的目标，每个外科手术都旨在通过尽可能少的皮肤移植来产生深而宽的网状空间。 3D立体摄影测量是一种易于使用，安全的成像技术，10,11已被证明是捕获表面信息和计算体积不足的有效方法.2,10,12通过使用3D图像精确计划切口模式，创建一个较深的网状空间可能更容易，因此可以避免网状物的远端移动，通常需要进行矫正手术.13,14此外，当术前可以计算出必要的皮肤数量时，将避免过度的皮肤移植，从而减少瘢痕形成。

在术前计划中首次使用3D图像时，由于模板中的描绘略微宽敞，因此需要进行微小的修改，从而导致患者的标记比通常使用的更宽。这在术前被纠正，并在计算机程序中用于将来的描述。手外科医生的经验证明模板的使用是容易的并且简化了外科手术过程，这将有助于经验不足的外科医生或居民进行去除手术。

在这项研究中，作者展示了一种基于3D图像的术前手部手术计划的简便方法。第一步证明，通过使用3D手部图像，可以创建虚拟切口图案并成功地将其转移回患者身上。由于外科医生可以直接从模板中复制切口图案，因此术前计划将减少总手术时间。切口模式的质量和最终结果将得到改善，因为可以虚拟地测试不同的切口及其结果，以达到最佳的单个切口模式。通过作者未来的研究，作者将继续开发用于并指化程序的虚拟规划工具，从而扩展手部3D手术的实施。

参考：
Virtual Incision Pattern Planning using Three-Dimensional Images for Optimization of Syndactyly Surgery
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