三维颞骨模型在解剖训练及临床中的应用

发布时间：2017-04-17 13:20

  本文关键词：三维颞骨模型在解剖训练及临床中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：研究背景颞骨是人体骨骼中结构最精细、功能最复杂的骨骼结构之一,颞骨界于顶骨、枕骨及蝶骨之间,体积小且形状极不规则,内藏听觉感受器和位置觉感受器,有面神经、前庭神经、耳蜗神经及颈内动脉等在内穿行,内部结构及毗邻关系复杂,同时也是中颅底、后颅底的重要组成部分。颞骨手术的显微镜下操作空间狭小,手术稍有不慎则导致耳聋、大出血、脑脊液漏等严重并发症,影响患者生活质量,甚至危及生命。反复的尸体颞骨标本解剖训练是帮助耳科医师快速掌握颞骨部位解剖知识的重要途径,然而,由于国内尸检率较低,尸体标本紧张、解剖实验室缺乏,使众多医师无法接受尸体解剖训练。尽管目前已有较多书籍对颞骨及侧颅底的解剖进行了详细描述,近年来耳科医师也可以通过不同角度的CT与组织切片、计算机重建三维立体图片、CT重建立体视图等加强对颞骨解剖结构的三维立体意识,但只有将深厚的理论知识与扎实的操作技能相结合,方能最大程度地提高手术成功率,减少手术并发症,恢复患者听力。另外,传统手术普遍以经验为基础,忽视了人体结构存在个体差异,传统术式难以满足特殊患者(如颞骨发育畸形、复杂胆脂瘤型中耳炎,颞骨部位肿瘤)的个体化需求。3-D打印(Three-Dimensional Printing,3-DP)技术是近年来新兴的一种制造技术,它通过计算机辅助设计读取数据,经数据转换后逐层建造三维物体。该技术具有虚拟设计、精密复制、一体成型、无需组装、节约成本、节省人工等诸多优点,故3-D打印技术已涉足各行各业。随着现代医学对个性化治疗的需求不断扩大,快速成型技术(尤其是3-D打印技术)在医学领域的应用也在迅猛发展,已涵盖了纳米医学、制药,甚至器官打印。目前广泛应用于：多种植入物、矫形设备、义肢、助听器的定制,3-D打印皮肤的烧伤治疗,医学教学模具等。3-D打印技术在形态学方面具有较好的展现能力,能够满足构建内部三维结构复杂的模型的需求,因此,其在医学教育及临床应用方面具有较好的前景。首先,3-D打印技术可以弥补尸体解剖标本缺乏的空白,它可以通过对仿真模型的适当缩放,从而帮助医学生更好地理解复杂的解剖学结构；其次,3-D打印技术可以为青年医师创造更多的手术训练机会,3-D打印技术建立的手术模型可用于手术操作技能培训,加强年轻医师的手术技能；再次,在现代医学教育理念强调“个体化”、“以病人为中心”的教学模式下,3-D打印技术可以针对经典病例甚至罕见病例进行高度复制以及仿真模拟,模型的应用空间不仅仅局限于基本知识和技能的讲授,更可在术前准备、术式探讨、风险评估甚至高级研修培训、技术探索中发挥重要作用。该项技术已在口腔科、整形外科、眼科、神经外科等领域中的下颌骨整形修复、眶壁骨折修复、颅骨修复等方面发挥了积极作用,但在颞骨及侧颅底显微手术中的应用尚未成熟。早在20世纪90年代,Levy等以树脂为原料,将选择性激光烧结打印技术应用于颞骨模型的制作并对模型的解剖精确度进行评估,为日后高仿真度3-D颞骨模型的制作奠定基础。21世纪初,日本学者Suzuki利用粉剂填充空腔结构的方法使中耳、乳突、半规管等空腔结构得以呈现,但空腔内存在较多的支撑结构,造成中耳鼓室结构辨认困难。最近两年,国际上开始以石膏粉末为原料,利用粉末堆积打印技术制作的颞骨模型,空腔结构无需支架支撑,解剖精确度更高,更接近实际人体颞骨的解剖结构。目前国内现存树脂颞骨模型因技术条件限制,精确度低,应用受限。目的1.针对国内现存树脂颞骨模型因精确度低导致应用受限的情况,根据颞骨病变患者的个体情况,制造出仿真度更高、更接近实际人体解剖结构的3-D颞骨模型。2.针对以往颞骨模型在钻磨时,操作者对某些标志性结构难以辨认,本实验将对3-D颞骨模型的标志性结构(如听骨链、面神经、位听器、内淋巴囊、颈内动脉管、炎性渗出及胆脂瘤等)使用不同颜色打印。3.目前,国内尸体标本紧张的现况,本研究将该颞骨模型应用于教学和解剖操作练习,让更多年轻耳科医师加深对颞骨解剖的三维立体意识,更好地指导临床工作。4.颞骨显微手术稍有不慎则严重并发症。本研究将该颞骨模型应用于术前手术模拟,帮助耳科医师在术前更进一步地解患者的解剖、病理情况,从而避免了手术操作的盲目性,并制定、优化手术方案,尽可能减少严重并发症的发生。方法1.CT扫描与三维重建采用64排螺旋CT分别对2例正常人及2例慢性化脓性中耳炎患者的活体颞骨进行薄层扫描,扫描层厚lmm,重建层厚0.5mm,层间距0.1mm。将原始CT图像(DICOM格式)导入Mimics10.01软件,对感兴趣区域进行图像分割并对颞骨行三维重建,数据转存为.stl文件格式。重点重建听骨链(锤骨、砧骨、镫骨)、面神经、乳突气房、耳蜗、迷路、乙状窦沟、颈静脉窝、颈内动脉管等解剖结构。2.3-D打印颞骨模型及后处理以石膏粉末为原料,应用3D打印机Z-print510对重建结构进行粉末堆积打印。其中正常人颞骨模型各2个(共4个),慢性化脓性中耳炎模型各3个(共6个)。利用该打印技术以不同颜色对分割图像进行同时打印,从而对不同的解剖结构进行区分(听骨链、面神经、位听器、内淋巴囊、颈内动脉、炎性渗出及胆脂瘤分别标记为橘色、黄色、玫红色、绿色、红色、蓝色)。在颞骨模型的颅中窝及乙状窦沟表面分别涂刷粉红色和蓝色丙烯颜料。3.3-D颞骨模型的显微镜下解剖训练及手术演练用电钻、吸引器、钩针等显微器械在显微镜下对3-D颞骨模型进行手术模拟。(1)对比慢性化脓性中耳炎患者3-D颞骨模型与手术时人体颞骨在转磨时硬度的差异,以及在解剖结构上(如外形上,外耳道、颞线、道上棘、乙状窦沟等表面骨性标志;显微镜下,锤骨、砧骨、镫骨、匙突、面神经、圆窗龛、卵圆窗龛、椎隆起、半规管、咽鼓管、乳突气房、中耳鼓室等内部结构及病变组织)的精确度差异。2例颞骨模型模拟手术及2例慢性化脓性中耳炎手术均由同1名耳科专家完成(高级职称以上,从事耳科手术10年以上)；(2)针对中耳手术常见解剖学标志,如听骨链,匙突,锥隆起,圆窗龛,咽鼓管等进行比较分析,对比正常人和慢性化脓性中耳炎患者3-D颞骨模型重建的准确性差异。对3-D颞骨模型的解剖操作由4名耳科专家担任(高级职称以上,从事耳科手术10年以上),每位耳科专家分别对1个正常人颞骨模型和1个慢性化脓性中耳炎患者颞骨模型进行解剖操作。结果1.利用Mimics10.01软件对颞骨CT数据进行图像后处理及三维重建,可清晰呈现乳突气房、鼓室、锤骨、砧骨、面神经、乙状窦沟、颈静脉窝、颈内动脉管、半规管管腔及耳蜗管腔等结构,虽部分镫骨(尤其是镫骨足板)未能显示,但通过调整CT阈值可重建出完整镫骨。2.3-D颞骨模型的硬度与人骨相近,可用电钻、吸引器、钩针等显微器械在显微镜下进行解剖训练或模拟手术；模型内部“骨质”硬度稍低于标本表面“骨质”硬度。研磨产生的“骨粉”粘度比正常人骨骨粉粘度更大,用水流冲洗及吸引器可清除。3.3-D颞骨模型的重要解剖结构以不同颜色打印,从而对不同的解剖结构进行区分(听骨链、面神经、位听器、内淋巴囊、颈内动脉分别呈现为橘色、黄色、玫红色、绿色、红色),方便操作者在钻磨标本时对这些标志性结构的辨认。4.颞骨模型外形逼真,外耳道、颞线、道上棘、乙状窦沟等表面骨性标志明显。显微镜下钻磨过程发现,正常颞骨模型的听骨链(锤骨、砧骨、镫骨)、匙突、面神经、圆窗龛、卵圆窗龛、椎隆起、半规管、咽鼓管等清晰可辨,乳突气房、中耳鼓室等空腔结构呈现良好。5.本研究对2例慢性化脓性中耳炎颞骨模型进行模拟手术,其中1例中耳炎颞骨模型听骨链完整,病变组织(蓝色)紧贴硬脑膜,提示实际手术中应注意清除病变同时防止硬脑膜损伤等并发症；而另外1例听骨链完整,病变范围局限,易于清除。据此,对这2例患者行乳突根治术及鼓室成形术,术后患者均恢复良好,并证实术前的判断。6.慢性化脓性中耳炎颞骨模型的部分中耳腔及乳突腔被炎性渗出及胆脂瘤(蓝色)填充,颞骨未被炎性渗出及胆脂瘤覆盖部分的骨性标志清晰可辨,但炎性渗出及胆脂瘤与周围骨质的硬度相当,需把前者钻磨清除方能显露被覆盖的骨质。通过4名耳科专家对4个正常人颞骨模型和4个慢性化脓性中耳炎颞骨模型进行解剖操作及对比,一致认为由于慢性化脓性中耳炎颞骨模型中“炎性渗出及胆脂瘤”虽然在颜色上可与周围正常骨质相辨别,但在钻磨质感上,无法与周围正常骨质加以区分,故正常人比慢性中耳炎患者3-D颞骨模型更接近人体实际；在重建的结构精度上,正常人与慢性中耳炎患者3-D颞骨模型无明显差异。7.本研究的颞骨模型表面及内部骨性标志明显,解剖精确度高,钻磨触感接近活体颞骨骨质,满足解剖技能训练及手术模拟的要求。结论1.颞骨模型的精确度基于CT图像的精确度随着科学技术不断发展以及对询证医学的研究不断深入,更高分辨率、更高清晰度的影像设备将普及临床,依赖CT图像精确度的个体化颞骨模型其仿真度必将越来越高。2.颞骨模型的仿真度还基于3-D打印技术本研究在国内首次应用粉末堆积打印技术制作出的3-D颞骨模型与国内现存树脂颞骨模型相比,仿真度更高、更接近实际人体解剖结构,能够满足其应用于解剖技能培训及精确手术模拟的要求。(1)弥补了国内3-D颞骨模型研究领域的空白；(2)帮助临床医生在术前全面了解患者的颞骨及周围组织解剖结构与病变情况,制定和优化手术方案,减少并发症；(3)从视觉甚至触觉上,更真实地模拟镜下操作环境,帮助年轻医师熟悉显微器械的镜下操作,并突破了标准化颞骨模具无法解决解剖结构变异的局限性。本研究创新点1.国内尸体标本紧张、解剖实验室缺乏。基于颞骨CT图像,利用三维重建及3-D打印技术制作仿真颞骨模型,铸型快速,精确度高,可用于模型教学、术前规划、手术模拟等方面,对培养年轻医师的手术操作技能以及对术者术前的预测与术中的辅助都具有广阔的应用价值。2.国内现有颞骨模型仿真度欠缺。本研究针对不同解剖结构使用颜色打印,制造出仿真度更高、钻磨触感更优的颞骨模型,逼真模拟手术过程。3.强调医学治疗个性化,为病情复杂患者(如颞骨发育畸形、复杂胆脂瘤型中耳炎,颞骨部位肿瘤)评估手术风险,拟定手术方案,符合广大患者的个体化需求。
【关键词】：颞骨 三维重建 3-D打印 解剖训练 模拟手术 个体化
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R322;R762
【目录】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-17
• 前言17-19
• 第一章 文献回顾19-30
• 1.1 三维重建技术在医学领域中的应用20-22
• 1.2 快速成型技术在医学领域中的应用22-26
• 1.3 三维重建与3-D打印技术在颞骨模型中的应用及国内外研究现状26-29
• 1.4 三维重建技术与3-D打印技术在耳科学的发展趋势29-30
• 第二章 实验研究30-56
• 2.1 研究目的30
• 2.2 材料与方法30-46
• 2.3 结果46-50
• 2.4 讨论50-54
• 2.5 结论54-56
• 参考文献56-65
• 攻读学位期间成果65-66
• 致谢66-68

【参考文献】

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1 李秋爽;快速成型技术在医学领域的应用研究[D];山东大学;2008年

  本文关键词：三维颞骨模型在解剖训练及临床中的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：313314