漏斗胸是一種常見的胸廓發育畸形之一，臨床表現為前胸壁胸骨中下部與其兩側肋骨異常向後彎曲凹陷，狀如漏斗。其發病機制眾說紛紜，如胸骨和肋軟骨發育障礙、膈肌發育異常、呼吸道梗阻及遺傳因素等。漏斗胸的矯治方法較多，傳統方法主要有Wada胸骨翻轉術和Ravitch胸骨抬舉術，但因創傷大，出血多，術後效果欠佳等原因逐漸被微創切口鋼板植入胸骨抬舉術(Nuss 手術)所替代。經過不斷完善和改進，目前Nuss手術已成為外科治療漏斗胸的常用術式。然而，隨著臨床應用的普及和學習曲線的影響，Nuss手術相關併發症的報道也日益增多。嚴重併發症如心臟穿孔甚至危及患者生命。如何在術前評估漏斗胸嚴重程度，更加精確的塑形支撐鋼板，減少術後鋼板移位及疼痛，科學評價術後矯形效果等均成為臨床醫師必須面對的問題。計算機技術、影象處理技術、醫學物理學、光學的迅猛發展為醫學診斷和治療提供了有力的支援，以此為基礎發展起來的計算機模擬技術為臨床醫師提供了一個縮短學習曲線、減少Nuss手術併發症的有益途徑。本文結合自身臨床實踐體會，討論計算機模擬技術在漏斗胸治療中的潛在應用價值。
1、材料與方法
1.1 臨床資料
收集2007年4月至2010年8月具有詳細臨床資料及隨訪結果的漏斗胸患者76例，所有患者均接受Nuss手術，術後接受定期隨訪。其中男性55例，女性21例，平均年齡9.4歲。
1.2 分析方法
以Haller指數作為評判漏斗胸畸形程度，術後疼痛採用VAS視覺模擬評分法評估，根據隨訪時正側位胸片判斷鋼板是否移位。
2、結果
所有患者均接受影像學CT檢查評估畸形程度，Haller指數為4.2～25.6。術中使用雙鋼板患者18例。隨訪過程中除視覺直觀判斷矯形效果外，亦接受胸片或CT客觀評估。其中4例患兒家屬因懼怕潛在放射性損傷而拒絕影像學複查及隨訪。術後疼痛評估中，所有患者均有不同程度的疼痛，其中劇烈疼痛者佔82.7％。術後鋼板移位3例，無脊柱側彎病例。
3、討論
筆者在近三年共完成Nuss及其改良手術近80例，利用CT三維成像技術進行術前漏斗程度評估，在鋼板長度、個數和塑性方面已經形成了較完善的評估系統。但在患者疼痛評估及矯形外觀預測方面尚有不足，國內目前亦尚無相關研究及報道。計算機模擬技術具有安全、重複性好、精確度高的特點，本文將從以下幾個方面探討其在漏斗胸治療中的應用價值。
3.1 漏斗胸客觀評估系統
根據胸廓的視診可立即診斷漏斗胸，但其胸壁畸形的程度及術後效果需要客觀指標來評估。從最開始的卡鉗測量前後胸/側胸直徑、漏斗積液測量發展為X線、CT成像後的胸脊間距、漏斗胸指數、Haller指數計算等，以上指標能夠用於大多數漏斗胸畸形程度評估。筆者在臨床實踐中主要以Haller指數作為評判其畸形程度的客觀指標。但對於如何在術前明確矯形鋼板的塑形、位置並預測術後矯正外觀，特別是非對稱型、複雜型漏斗胸的矯治，則與外科醫師的臨床經驗密切相關，其鋼板的塑形及放置位置往往帶有一定程度的主觀性和不確定性。故術中常常發生因矯形效果不滿意而需要反覆更改塑形模式、重新放置鋼板的情況。如果試圖避免主觀因素造成漏斗胸矯正過程中的偏頗，儘可能縮短學習曲線，則需建立標準的客觀評估系統。有限元作為數值計算常用方法之一，在工程影象處理和成像演算法中已得到廣泛的應用。將其融入到醫學領域則是最近才發展起來的的新興交叉研究方向。有限元網格劃分是進行數值模擬分析至關重要的一步，它直接影響著後續數值計算分析結果的精確性。一般而言，網格數量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規模也會增加，所以在確定網格數量時應權衡兩個因素綜合考慮。
光學非接觸式三維形面測量技術是以有限元演算法為基礎建立的一種高精度、高效率和非接觸性的高速檢測方法。Glinkowski等以此設計並開發了一種專門針對漏斗胸畸形程度的數字條紋投影光學測量系統。該系統以投影儀(projector)作為主動式的投射光源，採集訊號之前在電腦中設計好條紋結構光的圖案、週期及相位移量。通過投影儀將條紋圖案投射於患者身體之上，光柵條紋隨漏斗胸表面的高度變化而發生彎曲，彎曲程度代表漏斗畸形程度的三維資訊。用環繞患者四周的CCD相機採集靜止狀態下人體胸廓外形訊號，獲取到密集點雲資料。經數字轉換器輸入電腦進行資料精簡、合併和三維重建，最終可獲得漏斗胸的三維數字化模型。此方法不僅方便改變條紋特性，通過正弦訊號和二進位制格雷編碼控制的條紋光柵亦具有快速且精準的相位移，且條紋光柵的強度不易受周圍環境的影響。該系統的點雲資料最大采集量可達到400萬個，精確度為0.2-0.4mm，資料採集時間僅為0.7s，所以對於控制力較差的兒童亦具有較大的優勢。另一個顯著的特點在於該系統完全沒有放射性物質攝入，減少了潛在的放射性損傷，便於隨訪時連續、多次評估術後矯正效果。該光學三維測量方法最終得到一個可用於評估漏斗畸形程度的指標I3ds，其計算方法為漏斗凹陷程度最重之層面的前後胸壁最短距離與該層面胸壁寬度的比值，經過同期CT測量Haller指數驗證，I3ds與Haller指數呈正相關，兩者的換算關係為Y=1.3787X+1.2775 (X=I3ds, Y=Haller Index)。
3.2. 術後疼痛評估
術後疼痛為Nuss術後最常見的併發症之一，如不積極處理，患者往往會出現繼發性呼吸道併發症，且有導致鋼板移位、獲得性脊柱側彎的可能。目前臨床上以各種途徑的鎮痛處理來控制疼痛，但尚無主動防禦性減少疼痛的策略。Nagasao等[8]在運用有限元分析軟體ANSYS評估Nuss手術矯形鋼板數量對術後疼痛影響的研究中，分別使用6、18、36個樑單元構建肋骨、胸骨、椎體的三維模型，肋軟骨則根據其形態學複雜性由3-10個樑單元構建。其分析結果表明單鋼板和雙鋼板相比，前組因疼痛所需的硬膜外接管控制鎮痛(PCEA)頻率明顯高於後組，其術後恢復活動時間也長於雙鋼板組。在具體的應力產生部位分析中，兩組除第四、五肋所受應力具有統計學差異外(單鋼板大於雙鋼板)，其餘肋骨無明顯差別。不同數量鋼板產生不同程度疼痛的原因可能與雙鋼板分散了胸骨抬舉後所產生的向下應力，同時減輕了鋼板因潛在的旋轉所產生的扭轉力，從而在整體上表現為雙鋼板組較單鋼板組的疼痛程度輕。如能進一步獲得前瞻性的隨機對照研究結果支援，雙鋼板矯形策略可能不僅僅用於複雜性漏斗胸的矯治，亦可成為減少術後疼痛的措施。
3.3 鋼板及胸廓受力分析
目前Nuss手術所用鋼板大部分為國外進口產品，但相信同類國產替代品遲早將進入臨床。這樣必然帶來因不同材質、製造工藝的不同而產生的矯形效果上的差異。臨床醫師亦將面臨針對不同畸形程度的漏斗胸而選擇不同特性鋼板的境況。Krauze等，通過有限元分析和楊氏模量(Young's modulus)原理對不同材質、長度、厚度的鋼板進行了矯形後的受力情況研究。結果提示同樣規格的鈦合金鋼板的厚度由2.5mm增加為3.5mm後，鋼板中心區所需矯形距離明顯減少，但其區域性壓強無明顯變化。和3.5mm厚度鈦合金鋼板一樣，3.5mm厚度鉻鎳鉬合金鋼板亦具有需塑型程度小的特點，但兩種材質鋼板與胸骨接觸點的極限壓強分別不能超過895兆帕和690兆帕，否則超過材質的拉伸限度易造成支撐鋼板的變形，失去其長期塑形的作用。臺灣長庚大學Chang等利用有限元分析並結合三維視覺化系統軟體AMIRA，通過16排CT採集三例對稱型漏斗胸患兒資料，進行了模擬Nuss術後胸廓各部分受力情況的研究。其結果提示第三至第七肋軟骨與胸骨及肋骨結合處承受了較大的應力，但第三至第七肋在背部近脊柱處的壓力最為明顯，其區域性最大受力處的壓強平均值甚至高達35.5兆帕。作者將Nuss術後可能出現的脊柱側彎歸因於此處的異常受力。該項基於CT掃描建立的數學幾何模型用於有限元分析並評估Nuss手術，可以為臨床醫師在術前提供相關數字資訊，如支撐鋼板塑形、肋間隙置入部位、應力測算、鋼板數量等等。另一方面，因受限於CT成像畫素和掃描厚度等因素無法達到最大限度的擬合，該系統亦存在缺陷。但隨著CT成像技術的發展，該系統具有潛在的臨床應用價值。
3,4. 手術模擬
如能儘可能減少主觀干預因素，在術前就決定鋼板型別、數量、塑形程度及放置位置，並將模擬矯形效果告知患者，可大大減少併發症的發生並增強患者治癒漏斗胸的信心。Nagasao等利用有限元演算法和計算機輔助成像軟體模擬了包括10名兒童及8名成人在內的18名漏斗胸患者的Nuss手術過程，並對其術後因胸廓外形改變而造成的各肋骨應力學指標進行了預測。研究者在模型中採用了胸骨中點、劍突、兩側與支撐鋼板相交肋骨所屬肋軟骨等六個點作為Nuss模擬手術前後對比的評估點，經有限元分析軟體ANSYS和醫學三維成像軟體3D-Doctor分析對比證實，該方法能高度模擬Nuss手術，術後胸廓真實外形和軟體模擬效果高度相關，其相關係數平均值高達0.997，甚至其中一例模擬效果和真實情況完全一致。在對Nuss術後12根肋骨應力值預測的研究中，作者發現成人組肋骨所產生了應力程度較兒童組大，且前者主要發生在第三至第七肋骨，而後者則侷限於鋼板支撐肋骨(大部分為第五肋骨)。這一結果與臨床術後恢復活動時間相吻合：兒童組為2.3±1.2天，成人組則為5.1±1.6天，提示成人組在Nuss術後承受了更大的疼痛感。分析這一現象的原因可能與兒童肋軟骨有較大的彈性，可以吸收因胸骨抬舉而產生的大部分應力;而對於成人而言，因肋軟骨已經骨化而剛性增強，無法吸收胸骨抬舉所產生的應力而將其傳導給相鄰的肋骨。在該研究中，作者還通過楊氏模量原理對皮質骨、鬆質骨、軟骨等在矯形後因發生拉伸而產生的應力進行了計算。從材料力學的角度解釋了兒童和成人因不同密度骨質在Nuss術後產生不同程度疼痛的原因。
隨著計算機模擬技術在臨床上的應用愈來愈廣泛，臨床醫師可以在Nuss術前根據模擬結果進行矯正鋼板的塑形、評估使用鋼板數量及放置部位的合理性、預測潛在的諸如疼痛等併發症的程度，減少醫師因臨床經驗的不足而產生的風險。同時，也可以讓患者及其家屬在術前就能充分了解漏斗胸的嚴重程度及預覽術後的矯形外觀，增強其治癒病患的信心。更多無放射性攝入評估系統的建立將更好的評估手術療效及跟蹤隨訪。
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