计算机模拟技术在漏斗胸治疗中的应用

漏斗胸是一种常见的胸廓发育畸形之一，临床表现为前胸壁胸骨中下部与其两侧肋骨异常向后弯曲凹陷，状如漏斗。其发病机制众说纷纭，如胸骨和肋软骨发育障碍、膈肌发育异常、呼吸道梗阻及遗传因素等^[1]。漏斗胸的矫治方法较多，传统方法主要有Wada胸骨翻转术和Ravitch胸骨抬举术，但因创伤大，出血多，术后效果欠佳等原因逐渐被微创切口钢板植入胸骨抬举术（Nuss 手术）所替代。经过不断完善和改进，目前Nuss手术已成为外科治疗漏斗胸的常用术式^[2]。然而，随着临床应用的普及和学习曲线的影响，Nuss手术相关并发症的报道也日益增多。严重并发症如心脏穿孔甚至危及患者生命^[3]。如何在术前评估漏斗胸严重程度，更加精确的塑形支撑钢板，减少术后钢板移位及疼痛，科学评价术后矫形效果等均成为临床医师必须面对的问题。计算机技术、图像处理技术、医学物理学、光学的迅猛发展为医学诊断和治疗提供了有力的支持，以此为基础发展起来的计算机模拟技术为临床医师提供了一个缩短学习曲线、减少Nuss手术并发症的有益途径。本文结合自身临床实践体会，讨论计算机模拟技术在漏斗胸治疗中的潜在应用价值。

1．材料与方法

1.1 临床资料

收集2007年4月至2010年8月具有详细临床资料及随访结果的漏斗胸患者76例，所有患者均接受Nuss手术，术后接受定期随访。其中男性55例，女性21例，平均年龄9.4岁。

1.2 分析方法

以Haller指数作为评判漏斗胸畸形程度，术后疼痛采用VAS视觉模拟评分法评估，根据随访时正侧位胸片判断钢板是否移位。

2. 结果

所有患者均接受影像学CT检查评估畸形程度，Haller指数为4.2～25.6。术中使用双钢板患者18例。随访过程中除视觉直观判断矫形效果外，亦接受胸片或CT客观评估。其中4例患儿家属因惧怕潜在放射性损伤而拒绝影像学复查及随访。术后疼痛评估中，所有患者均有不同程度的疼痛，其中剧烈疼痛者占82.7%。术后钢板移位3例，无脊柱侧弯病例。

3.讨论

笔者在近三年共完成Nuss及其改良手术近80例，利用CT三维成像技术进行术前漏斗程度评估，在钢板长度、个数和塑性方面已经形成了较完善的评估系统。但在患者疼痛评估及矫形外观预测方面尚有不足^[4]，国内目前亦尚无相关研究及报道。计算机模拟技术具有安全、重复性好、精确度高的特点，本文将从以下几个方面探讨其在漏斗胸治疗中的应用价值。

3.1 漏斗胸客观评估系统

根据胸廓的视诊可立即诊断漏斗胸，但其胸壁畸形的程度及术后效果需要客观指标来评估。从最开始的卡钳测量前后胸/侧胸直径、漏斗积液测量发展为X线、CT成像后的胸脊间距、漏斗胸指数、Haller指数计算等，以上指标能够用于大多数漏斗胸畸形程度评估^[5]。笔者在临床实践中主要以Haller指数作为评判其畸形程度的客观指标。但对于如何在术前明确矫形钢板的塑形、位置并预测术后矫正外观，特别是非对称型、复杂型漏斗胸的矫治，则与外科医师的临床经验密切相关^[6]，其钢板的塑形及放置位置往往带有一定程度的主观性和不确定性。故术中常常发生因矫形效果不满意而需要反复更改塑形模式、重新放置钢板的情况。如果试图避免主观因素造成漏斗胸矫正过程中的偏颇，尽可能缩短学习曲线，则需建立标准的客观评估系统。有限元作为数值计算常用方法之一，在工程图像处理和成像算法中已得到广泛的应用。将其融入到医学领域则是最近才发展起来的的新兴交叉研究方向。有限元网格划分是进行数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。一般而言，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。

光学非接触式三维形面测量技术是以有限元算法为基础建立的一种高精度、高效率和非接触性的高速检测方法。Glinkowski等^[7]以此设计并开发了一种专门针对漏斗胸畸形程度的数字条纹投影光学测量系统。该系统以投影仪(projector)作为主动式的投射光源，采集信号之前在电脑中设计好条纹结构光的图案、周期及相位移量。通过投影仪将条纹图案投射于患者身体之上，光栅条纹随漏斗胸表面的高度变化而发生弯曲，弯曲程度代表漏斗畸形程度的三维信息。用环绕患者四周的CCD相机采集静止状态下人体胸廓外形信号，获取到密集点云数据。经数字转换器输入电脑进行数据精简、合并和三维重建，最终可获得漏斗胸的三维数字化模型。此方法不仅方便改变条纹特性，通过正弦信号和二进制格雷编码控制的条纹光栅亦具有快速且精准的相位移，且条纹光栅的强度不易受周围环境的影响。该系统的点云数据最大采集量可达到400万个，精确度为0.2-0.4mm，数据采集时间仅为0.7s，所以对于控制力较差的儿童亦具有较大的优势。另一个显著的特点在于该系统完全没有放射性物质摄入，减少了潜在的放射性损伤，便于随访时连续、多次评估术后矫正效果。该光学三维测量方法最终得到一个可用于评估漏斗畸形程度的指标I_3ds，其计算方法为漏斗凹陷程度最重之层面的前后胸壁最短距离与该层面胸壁宽度的比值，经过同期CT测量Haller指数验证，I_3ds与Haller指数呈正相关，两者的换算关系为Y=1.3787X+1.2775 (X=I_3ds, Y=Haller Index)。

3.2. 术后疼痛评估

术后疼痛为Nuss术后最常见的并发症之一，如不积极处理，患者往往会出现继发性呼吸道并发症，且有导致钢板移位、获得性脊柱侧弯的可能。目前临床上以各种途径的镇痛处理来控制疼痛，但尚无主动防御性减少疼痛的策略。Nagasao等^[8]在运用有限元分析软件ANSYS评估Nuss手术矫形钢板数量对术后疼痛影响的研究中，分别使用6、18、36个梁单元构建肋骨、胸骨、椎体的三维模型，肋软骨则根据其形态学复杂性由3-10个梁单元构建。其分析结果表明单钢板和双钢板相比，前组因疼痛所需的硬膜外置管控制镇痛（PCEA）频率明显高于后组，其术后恢复活动时间也长于双钢板组。在具体的应力产生部位分析中，两组除第四、五肋所受应力具有统计学差异外（单钢板大于双钢板），其余肋骨无明显差别。不同数量钢板产生不同程度疼痛的原因可能与双钢板分散了胸骨抬举后所产生的向下应力，同时减轻了钢板因潜在的旋转所产生的扭转力，从而在整体上表现为双钢板组较单钢板组的疼痛程度轻。如能进一步获得前瞻性的随机对照研究结果支持，双钢板矫形策略可能不仅仅用于复杂性漏斗胸的矫治，亦可成为减少术后疼痛的措施。

3.3 钢板及胸廓受力分析

目前Nuss手术所用钢板大部分为国外进口产品，但相信同类国产替代品迟早将进入临床。这样必然带来因不同材质、制造工艺的不同而产生的矫形效果上的差异。临床医师亦将面临针对不同畸形程度的漏斗胸而选择不同特性钢板的境况。Krauze等^[9]通过有限元分析和杨氏模量(Young's modulus)原理对不同材质、长度、厚度的钢板进行了矫形后的受力情况研究。结果提示同样规格的钛合金钢板的厚度由2.5mm增加为3.5mm后，钢板中心区所需矫形距离明显减少，但其局部压强无明显变化。和3.5mm厚度钛合金钢板一样，3.5mm厚度铬镍钼合金钢板亦具有需塑型程度小的特点，但两种材质钢板与胸骨接触点的极限压强分别不能超过895兆帕和690兆帕，否则超过材质的拉伸限度易造成支撑钢板的变形，失去其长期塑形的作用。台湾长庚大学Chang等^[10]利用有限元分析并结合三维可视化系统软件AMIRA，通过16排CT采集三例对称型漏斗胸患儿数据，进行了模拟Nuss术后胸廓各部分受力情况的研究。其结果提示第三至第七肋软骨与胸骨及肋骨结合处承受了较大的应力，但第三至第七肋在背部近脊柱处的压力最为明显，其局部最大受力处的压强平均值甚至高达35.5兆帕。作者将Nuss术后可能出现的脊柱侧弯归因于此处的异常受力。该项基于CT扫描建立的数学几何模型用于有限元分析并评估Nuss手术，可以为临床医师在术前提供相关数字信息，如支撑钢板塑形、肋间隙置入部位、应力测算、钢板数量等等。另一方面，因受限于CT成像像素和扫描厚度等因素无法达到最大限度的拟合，该系统亦存在缺陷。但随着CT成像技术的发展，该系统具有潜在的临床应用价值。

3,4. 手术模拟

如能尽可能减少主观干预因素，在术前就决定钢板类型、数量、塑形程度及放置位置，并将模拟矫形效果告知患者，可大大减少并发症的发生并增强患者治愈漏斗胸的信心。Nagasao等^[11]利用有限元算法和计算机辅助成像软件模拟了包括10名儿童及8名成人在内的18名漏斗胸患者的Nuss手术过程，并对其术后因胸廓外形改变而造成的各肋骨应力学指标进行了预测。研究者在模型中采用了胸骨中点、剑突、两侧与支撑钢板相交肋骨所属肋软骨等六个点作为Nuss模拟手术前后对比的评估点，经有限元分析软件ANSYS和医学三维成像软件3D-Doctor分析对比证实，该方法能高度模拟Nuss手术，术后胸廓真实外形和软件模拟效果高度相关，其相关系数平均值高达0.997，甚至其中一例模拟效果和真实情况完全一致。在对Nuss术后12根肋骨应力值预测的研究中，作者发现成人组肋骨所产生了应力程度较儿童组大，且前者主要发生在第三至第七肋骨，而后者则局限于钢板支撑肋骨（大部分为第五肋骨）。这一结果与临床术后恢复活动时间相吻合：儿童组为2.3±1.2天，成人组则为5.1±1.6天，提示成人组在Nuss术后承受了更大的疼痛感。分析这一现象的原因可能与儿童肋软骨有较大的弹性，可以吸收因胸骨抬举而产生的大部分应力；而对于成人而言，因肋软骨已经骨化而刚性增强，无法吸收胸骨抬举所产生的应力而将其传导给相邻的肋骨。在该研究中，作者还通过杨氏模量原理对皮质骨、松质骨、软骨等在矫形后因发生拉伸而产生的应力进行了计算。从材料力学的角度解释了儿童和成人因不同密度骨质在Nuss术后产生不同程度疼痛的原因。

随着计算机模拟技术在临床上的应用愈来愈广泛，临床医师可以在Nuss术前根据模拟结果进行矫正钢板的塑形、评估使用钢板数量及放置部位的合理性、预测潜在的诸如疼痛等并发症的程度，减少医师因临床经验的不足而产生的风险。同时，也可以让患者及其家属在术前就能充分了解漏斗胸的严重程度及预览术后的矫形外观，增强其治愈病患的信心。更多无放射性摄入评估系统的建立将更好的评估手术疗效及跟踪随访。

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