长手指组合再造的应用解剖及数字化模型研究

发布时间：2018-01-12 02:12

本文关键词：长手指组合再造的应用解剖及数字化模型研究　出处：《南方医科大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：研究背景手不仅是人的劳动器官和重要的感觉器官,还是重要的情感交流工具,任何手指的缺损都会影响手的外形和功能,甚至带来严重的心理创伤。如何重建缺损手指、更好的恢复手的功能,是手外科、显微外科医生一直探索的课题。伴随20世纪60年代显微外科技术的崛起,1966年杨东岳、1968年Cobbertt、1980年Morrison等相继完成首例二趾、拇趾及拇趾甲瓣移植再造拇指。数十年来,足趾移植尤其二趾移植可重建出较好外形、关节功能和感觉的拇手指,一直被广大显微外科医师普遍接受和应用。但是,单纯二趾形态结构与正常手指相差较大：足趾趾节及整体明显短小；趾甲较指甲短；末节呈锤形；足趾休息位跖趾关节呈过伸位等。从美学的角度看,二趾在足上自然美观的,但移植到手上却更像是人造畸形,多数患者难以接受其丑陋外形而常常将它隐藏起来羞于示人。如何再造具有良好感觉、足够长度、满意外形及具有良好关节活动的手指,一直是手外科医生面对的难题和挑战。美学上优化再造手指外形已得到众多专家关注,Koshima、王炜和程国良等从不同方面介绍了足趾移植拇指再造的美学方法,但只是对美学外形的有限改良,没有从根本上改变二趾骨关节结构的缺陷。趾、指的先天结构差异决定了单纯二趾移植无法再造出外形功能满意的手指。足趾移植再造的优化术式中以组合再造最为彻底,从真正意义上再造出了长度外形和关节功能活动均接近正常的手指。Foucher (1980)首先应用twist理念组合重建了手指再造,后于仲嘉(1985)、Tsai(1990)、Koshima(1994)等利用“拇趾甲皮瓣组合第二趾肌腱骨关节复合体”的术式,使新建拇指兼具拇趾甲皮瓣良好外形和二趾移植关节活动好的优点,取得良好的效果。但多年来此术式没有得到广泛推广,主要原因是拇甲瓣和二趾骨关节的组合再造是大工程,涉及皮肤血管骨关节等复杂组织的精细切取,有极其繁杂的三维几何结构的排列组合,操作难度大、供区损伤大、手术时间长风险高。不仅需要高超的显微外科技术,还需要有丰富经验教训和极高责任心。该术式对再造指功能及美学要求高,但现实中常常不易把握达到而难以获得满意的结果,因而大大制约了组合再造在临床中的应用和推广。在大量成功拇指组合再造的基础上,我们创新性地将组合再造术式应用于全长手指的再造,突破了单纯二趾长度不足外形丑陋的局限,打破了手指近侧指间关节以近长手指缺损不能再造的观念。灵活地运用拇甲瓣组合二趾的骨关节方法,成功重建了不同缺损平面的全长手指,再造的长手指自然逼真可以假乱真,有几乎与正常手指一样的粗细长短、关节位置、指甲大小,并有良好关节活动,供区也得到良好修复。长手指组合再造手术方案在仍有大量难题等待解决,急需进一步做相关应用解剖的深入研究,以期进一步优化手术设计,提高手术效果。随着数字医学技术高速发展,在多学科如在头颈、四肢、心脏、腹部等,多领域如术前规划、手术模拟、临床教学及培训等方面得到广泛应用和肯定,大大促进了相关学科的发展。其中作为目前最常用的采集医学数据方法,螺旋CTA早已常规普及应用,其容积扫描能快速得到复杂形态结构和各种密度的高分辨率的组织图像,利用越来越先进的三维图像重建软件可构建高质量的三维数字化模型,可三维动态地显示各种组织的解剖结构及相互关系。在显微再造外科领域,如何充分发挥数字医学在显微再造领域的巨大应用潜力,降低组合再造这个“大工程”的难度,促进拇手指再造的推广,是临床迫切需要的极重要课题。目的1.围绕复杂的全长手指组合再造临床手术中遇到的解剖难题,包括再造设计问题；受区动脉类型、相互关系及组合搭配问题；组合瓣各部分血运问题；骨关节结构活动问题等,做逐项深入研究,以指导该术式设计更合理更完善。2.通过明胶硫酸钡灌注标本,将其CTA数据经三维重建软件MIMICS10.01处理,探索构建长手指缺损组合再造手术方案的标本数字化模型,以期能准确模拟演示再造的手术过程,可结合相关临床解剖以改进及规划最佳手术方案,为数字化模型的临床应用做好前瞻性研究。3.选择Ⅳ、Ⅴ度和Ⅵ度手指缺损需进行组合再造的一组病例,通过术前优化的造影方法及螺旋CTA扫描,利用MIMICS10.01软件构建患者个性化的长手指组合再造的数字化模型,用以优化术式方案,精确术前设计,解决组合再造存在的手术复杂、设计不够精确、主观盲目性大、风险高的缺点。还可使术式设计更精准规范和易于掌控操作,从而获得组合再造手指的完美外形及良好功能,并通过数字化教学和临床培训促进该术式的普及。材料和方法1.应用解剖学研究红色乳胶灌注成人新鲜足部标本10只,行应用显微解剖断层解剖；血管铸型足部标本成品10只、制作5只；明胶硫酸钡灌注足部标本10只、螺旋CT及Micro-CT等多种方法研究；临床长手指再造手术病例资料14例,既往50例手指再造病例第一趾蹼血管资料(山东省立医院手足外科)。研究问题：第一跖背动脉FDMA和第一跖底动脉FPMA的走行和交通关系,到第二跖趾关节的分支情况,在第一趾蹼的交通情况及与拇趾二趾的趾动脉的吻合情况；第二跖背动脉SDMA和第二跖底动脉SPMA的走行、相互交通关系、分支情况,与二趾腓侧趾动脉延续问题。通过具有极高分辨率的Micro-CT,研究硫酸钡灌注标本跖骨头内滋养动脉的来源及走行。山东省立医院影像科足部正位X光片50例,研究二趾近侧趾间关节的偏斜问题。2.组合再造标本数字化模型的建立2.1数据采集与三维重建新鲜标本足10只、手2只,亚纳米级硫酸钡灌注。应用螺旋CT对灌注标本进行扫描,所得数据以Dicom格式导入个人电脑的医学影像三维重建软件Mimics 10.01中,经过阈值划分(Thresholding)、编辑蒙版(Edit Masks)、填补空洞(Cavity Fill)等步骤,通过Calculate 3D工具,选择需要的Mask蒙版即可自动生成三维模型。将初步生成的较粗糙的三维模型在Mimics中应用Smoothing等工具进行简单的初步光顺处理,及应用逆向工程软件Geomagic Studio对模型进行专业的加工处理和修改,最后储存为STL文件格式,再次导入Mimics中显示完整的三维模型。然后选定不同组织阈值,分别完成皮肤、血管和骨骼以及复合组织重建,在Mimics软件中,可以同时显示所构建的多个三维模型,并调整各模型的透明度以达到多视角三维立体观察的效果。2.2建立长手指组合再造数字化模型依据长手指组合再造的术式步骤原则用Mimics软件构建其数字化模型,基本步骤如下：1)以上步骤已重建好手足灌注标本三维图像各一；2)设定要再造的手指并加粗10%后重建皮肤图像,并3D打印出作为拇甲瓣设计的依据；3)缺指的皮肤透明化,并与供区拇趾重叠,标记出拇甲瓣近侧刀口,编辑切割出带腓侧趾动脉的拇甲骨瓣模型并使之透明化；4)编辑切割二趾骨关节并带胫侧趾动脉及FDMA和FPMA,可带伸屈肌腱；(步骤3、4注：手指Ⅳ、Ⅴ度缺损,二趾骨关节远近端分别从远侧趾间关节DIP和跖趾关节MTP离断,二趾胫侧趾动脉近端起点以远0.5cm处切断,FDMA与拇甲骨瓣腓侧趾动脉相连续；Ⅵ度手指缺损,二趾骨关节远近端分别从DIP关节和跖骨头近侧0.5cm离断,拇甲骨瓣胫侧趾动脉近端起点以远0.5cm处切断,FDMA与二趾腓侧趾动脉相连续。)5)二趾PIP放置于示指PIP位置(MTP优先考虑),拇甲瓣趾甲放置在再造指甲位置,将透明的拇甲骨皮瓣模型与关节模型进行叠加；6)二趾骨关节远近端缺损处移植骼骨,可虚拟微型钢板或克氏针固定,评估测量各动脉及其交通关系；7)根据拇甲骨皮瓣、骨关节的动脉相互关系,设计动脉搭配合理方案,确定各动脉切取长度位置；8)完成数字化拇甲骨瓣及复合骨关节模型；9)打印的拇甲瓣及复合骨关节模型。3.组合再造数字化模型的临床应用3.1动脉造影图像采集选取2013年3月至2015年12月拟行拇指组合再造的拇指Ⅳ、Ⅴ及Ⅴ度缺损患者14例。于供区足踝前拇短伸肌近侧足背动脉顺行穿刺留置22G套管针,使用德国Ulrich双筒高压注射器注入非离子型造影剂碘克沙醇注射液(16g：50m1威视派克),碘克沙醇：生理盐水1：1,剂量(稀释后)成人15m1,注射速度成人1.5ml/s,注射造影剂2s后开始螺旋CT动态容积扫描及图像后处理。选用扫描参数：电压100kV,电流35mAS；扫描层厚/层距为0.5mm/0.5mm。显示野(FOV)为120mm-150mm;扫描周期0.35s/r,检查及后处理时间约30-35分钟。三维螺旋CT的扫描数据以DICOM格式输出并刻盘保存。手部行常规肘静脉造影CT扫描。3.2三维重建及数字化模型建立将患者CT数据资料以Dicom格式导入MIMICS 10.01软件中,并设置正确的图像方位。其图像分割、皮肤血管及复合组织重建方法与标本三维重建相同,数字化模型建立的基本步骤参照第二章相关内容。3.3临床长手指组合再造手术长手指由以下复合组织组合重建而成：1、拇甲骨皮瓣：包括大部分拇趾趾甲及大部分末节腓侧趾骨、背侧的腓浅深神经和浅静脉、腓侧趾底动脉神经,用以重建长手指的指甲及全部皮肤及部分末节趾骨；2、二趾骨关节肌腱复合体：包括中近节趾骨和近侧趾间关节PIP或同时包括跖趾关节MTP和跖骨头、伸屈肌腱、趾背静脉、胫侧趾动脉神经及舌形皮瓣、腓浅腓深神经,PIP和MTP分别用以重建手指的近侧指间关节和掌指关节,手指的远侧指间关节功能小不重建。手术过程参照数字化模型的模拟过程及规划方案进行。结果1.应用解剖学研究1.1FDMA位于第1骨间肌与第2跖骨之间而非穿过肌肉,其在第一趾蹼与第1跖底动脉FPMA相交通并延续为拇趾腓侧及二趾胫侧趾动脉。随FDMA/FPMA口径有差别,与2条恒定趾动脉的交通类型也有不同。我们根据组合再造的需要分为三型：(1)X型：FDMA与FPMA交通后发出两趾动脉,4条动脉几乎交汇一起；(2)H型：FDMA发出两条趾动脉,FPMA与其一趾动脉吻合,或FPMA发出两条趾动脉,FDMA与其中一条趾动脉吻合。包括H相连的部分细小或缺如的类型；(3)Y型：FDMA或FPMA独自发出两趾动脉。1.2通过局部解剖及亚纳米级硫酸钡灌注螺旋CT及Micro-CT扫描,仔细研究了第2跖骨头血运。自颈部跖骨头主要有3条动脉的血供来源：跖侧斜跨过跖骨颈部的第二跖底动脉、两侧的第二跖背及第一跖背动脉。三条动脉在跖骨颈部发出分支,主要从3个方向向跖骨头发出滋养动脉：第二跖底动脉分支在跖骨头下；第一第二跖背动脉及第二跖底分支在跖骨颈两侧,滋养动脉主要环绕集中在侧副韧带起点结节前下后方。三条动脉分支在跖骨颈交通形成动脉环。跖骨头内的滋养动脉也是两侧及下面为主,其分支深入跖骨头内。自跖骨头两侧跖背动脉有分支沿关节两侧行向近节趾骨底两侧。1.3 FDMA斜跨过跖骨颈部屈肌腱下,并分成二趾腓侧和三趾胫侧趾动脉,是二趾腓侧趾动脉主要和最恒定的延续。1.4足趾有深浅两组静脉,深组静脉为动脉的伴行静脉,伴行于同名动脉。深静脉在第一趾蹼有较恒定粗大的交通支与浅静脉延续,可以此路径作为足趾组织瓣静脉回流途径。1.5二趾近节趾骨远关节面与其正中轴线有平均约9.8°的腓侧倾斜,重建时应注意纠正避免其影响。2.组合再造数字化标本模型的建立明胶硫酸钡灌注标本解剖前全部行螺旋CT扫描。通过三维螺旋CT获取了精确的高空间分辨率扫描断层影像数据,可清楚显示足部动脉与肌肉、骨骼复杂的三维解剖关系,部分标本还可显示跖背及跖底动脉在跖骨头处相对较为粗大的分支,甚至可看到跖骨头的滋养动脉。本研究以个人电脑为平台,利用三维图像重建软件MIMICS10.01重建出清晰足部复杂的三维图像。成功构建了长手指组合再造的二趾骨关节及拇甲瓣的三维数字化模型,可清楚地观察动脉、骨关节及皮肤立体结构及其相互毗邻关系,虚拟组合预先规划动脉及骨关节等重要结构的设计。3.组合再造数字化模型的临床应用足背动脉穿刺造影可清晰显示肢端如跖背跖底动脉细小的分支甚至包括趾蹼以远的趾背趾底动脉的微细动脉及分支,效果明显优于传统的肘静脉置管造影方法。而且通过容积扫描,还可动态观察不同时相的动脉显影图像。因三维图像无法重建神经,静脉也多显示不佳,故活体及标本数字化模型中不包括神经及静脉,拇甲骨皮瓣和的二趾骨关节肌腱复合体只带动脉。临床个性化长手指组合再造复合组织瓣数字化模型的解剖数据与再造过程中所见实体解剖结构相符,数字化模型虚拟建立过程与真实再造过程具有一致性。本组14例长手指组合再造均在术前应用数字化模型虚拟操作及验证优化了手术方案。再造长手指全部一期成活,术后无血管危象发生。术后12指得到随访,时间5～31个月,手术优良率93.5%。本组手术时间缩短至平均6.6小时。结论1.长手指组合再造的临床解剖与术式设计1.1防止再造长手指的掌指关节过伸畸形正常第2跖趾关节MTP的屈伸活动角度一般是是屈曲45°和背伸90°,而正常掌指关节MP是屈曲90°和背伸30°,移植时需行跖骨头翻转纠正跖趾关节过伸畸形,以改善功能。跖骨头需要翻转的角度是：MTP背伸角度减去MP的背伸角度,可使移植后的MTP关节的背伸角度调整到正常的MP背伸角度,并可增大屈曲角度到90°。根据第2跖骨头的滋养血管主要分布于两侧侧副韧带起点结节跖侧的血运规律,跖骨头背侧截骨位置贴在侧副韧带起点结节的近侧缘,跖侧可根据翻转角度最大限度向近侧倾斜,可保证跖骨头良好的血运并达到截骨角度要求。1.2血运的问题血管扭转的问题：第一趾蹼间隙内FDMA和FPMA较相交通,并发出行向拇趾腓侧和二趾胫侧的趾底动脉随即行向足趾侧方,组合再造新拇指时拇甲瓣包绕二趾关节(twist)两者平行左右换位,较短的趾动脉游离段不可避免被迫发生扭转(rotated),相连两趾动脉牵拉伸直时甚至扭转(rotated)可达到360°,相连的跖动脉也同时受累及。血管的扭转使其极易发生血管危象。我们不拘泥于文献报道一个血管蒂上两个并联组织瓣扭转(twist)的方法,设计了拇甲瓣和二趾相连趾动脉断开,分别以独立血管蒂与受区吻合或重新搭配组合,避免了动脉扭曲牵拉从而显著降低血管危象几率。我们从组合再造的视角,根据拇趾腓侧及二趾胫侧两条趾动脉的来源分为X、H、Y三型,分型对组合再造的临床意义：组合再造时拇甲瓣包绕(twist)二趾关节时两者平行左右换位,趾动脉游离段不可避免被迫发生扭转(rotated),对血管造成极其不利的影响,应从一侧趾动脉起点以远0.5cm切断,两部分复合组织瓣换位组合后,再根据此分型重新修复动脉：H型可与受区两条动脉吻合；X型可一条跖动脉与受区动脉吻合,另一条与断开的趾动脉吻合；Y型断开的趾动脉需移植静脉与原断端或受区动脉吻合。根据本课题探讨了第一趾蹼间的动脉关系,及趾动脉断开后重新搭配吻合的设计与解剖依据。同样相连的静脉也发生扭转和迂曲,也需要断开重新设计吻合。二趾甲皮瓣的血运：切取拇甲瓣及二趾骨关节后,最常用的修复方法是用二趾腓侧甲骨皮瓣覆盖拇甲骨瓣供区组组建一个新拇趾。注意勿损伤第2跖底动脉SPMA或第二跖背动脉SDMA与二趾腓侧趾动脉交通连续,以保障二趾甲瓣血运。二趾MTP移植时其血供需靠FDMA,游离时须保持与FDMA相连避免趾背动脉及跖骨头的分支损伤。如果二趾腓侧趾动脉主要发自SPMA,MTP上保留SDMA,可较少损伤跖骨颈动脉环增加跖骨头血供。第一趾蹼若有粗大深浅静脉交通支,可用作二趾骨关节回流通路而简化手术操作。2.优化的灌注和造影技术2.1亚纳米级硫酸钡灌注可较好地灌注足部跖背跖底及微细分支动脉,通过CTA或MICRO-CT扫描可得到微小血管均匀连续的三维图像显影,其解剖学数据与传统解剖学数据动脉的空间走行及位置形态等相符,但灌注压力与灌注充分与否等多个条件会导致动脉粗细变化。2.2足背动脉穿刺造影在足部微小血管显影方面优于肘静脉穿刺,并且还有造影剂用量少、并发症少的优点,更适于对前足微细血管显影要求高的手指再造的应用。3.长手指组合再造数字化模型的临床意义个性化长手指组合再造复合组织瓣数字化模型可直观显示供足术区动脉及周围结构的立体解剖关系,逼真地虚拟演示再造手术过程及优化再造方案设计,改变了既往术中动脉皮肤等多种组织的被动盲目探查组合,提高了手术的确定性和可控性,提高了手术效率及成功率,缩短了手术时间,可以使术者做到术前成竹在胸,使复杂的术式规范化精准化,对组合再造临床操作具有重要指导意义。同时可建立标本及活体长手指组合再造数字化模型数据库以丰富数字解剖学的研究,更可促进和改善教学培训,以及利于医生之间、医患之间的交流。模型构建基于个人计算机的便利平台,对手指再造的发展和推广有着重要的现实意义。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R322.7;R658.2

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