虛擬正交斷層及其三維模型在斷層影像解剖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

李 玲 沈若武 孫 禹 夏玉軍

(青島大學(xué)醫(yī)學(xué)部人體解剖學(xué)教研室， 青島 266071)

斷層影像解剖學(xué)是通過(guò)人體的斷層結(jié)構(gòu)研究其一般形態(tài)構(gòu)造及基本功能的影像解剖學(xué)[1]，學(xué)習(xí)時(shí)需通過(guò)影像平面的連續(xù)斷層理解人體各個(gè)器官的連續(xù)變化，所以必須要從平面斷層結(jié)構(gòu)上升至立體結(jié)構(gòu)。目前所采用的教科書、解剖圖譜以及影像平片結(jié)合教學(xué)方法，不利于進(jìn)行立體思考，因此難以使學(xué)生建立良好的立體結(jié)構(gòu)思維[2]。同時(shí)，我們運(yùn)用Mimics軟件進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像處理，通過(guò)對(duì)臨床上獲得的CT圖像進(jìn)行3D重建，并生成1個(gè)比較真實(shí)直觀的立體圖像，并將其與CT圖像顯示在同一平臺(tái)上，利用其功能形成一個(gè)虛擬正交斷層圖像，使之進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化。重建出的三維模型與平面相交的切面即斷層，該軟件可以重組3個(gè)正交斷面，即形成所謂的虛擬正交斷層圖像。

將構(gòu)建的虛擬正交斷層以及三維模型應(yīng)用于斷層影像解剖學(xué)的教學(xué)之中，在虛擬空間中對(duì)人體的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行伸縮、旋轉(zhuǎn)，加強(qiáng)對(duì)其立體結(jié)構(gòu)的理解，對(duì)更為直觀講解解剖學(xué)有重要意義。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

收集正常志愿者的頭部和腹部CT原始DICOM數(shù)據(jù)資料。

1.2 研究平臺(tái)

硬件平臺(tái)： 個(gè)人計(jì)算機(jī)，CPU： 英特爾 Core i5-4210M，內(nèi)存： RAM8.00 GB,顯卡： 英特爾 HD Graphics 4600。軟件平臺(tái)： 操作系統(tǒng)為Windows 10，三維重建軟件使用Mimics 10.01(Materialise公司，比利時(shí))。

1.3 三維重建方法

采用軟件Mimics 10.01對(duì)CT圖像進(jìn)行三維重建。與其他重建軟件類似，Mimics的三維重建是通過(guò)CT、MRI等技術(shù)獲得的圖像來(lái)進(jìn)行的[3]。故將DICOM文件格式的頭部或腹部CT掃描數(shù)據(jù)資料導(dǎo)入Mimics軟件，使用Thresholding選取所需閾值，創(chuàng)建新的蒙板，軟件中以不同顏色顯示各種擬重建結(jié)構(gòu)。使用Multiple Slice Edit功能分別手動(dòng)選取骨骼、血管、肝等，再利用軟件的Calculate 3D from Mask功能，建立1個(gè)骨骼、血管以及肝的三維模型，清晰直觀地再現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)。

1.4 教學(xué)應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)影像專業(yè)的斷層影像解剖學(xué)理論課中，當(dāng)講授頭部血管以及腹部主要結(jié)構(gòu)時(shí)，打開(kāi)該三維重建軟件，通過(guò)伸縮、旋轉(zhuǎn)進(jìn)行三維模型的展示，講授頭部血管、骨骼或肝以及其血管的結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果

2.1 頭部教學(xué)

將頭部斷層CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件后，即可顯示頭部的水平面、矢狀面及冠狀面。通過(guò)Mimics軟件的Thresholding，Multiple Slice Edit，Calculate 3D from Mask等功能，對(duì)CT斷層圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行三維分割、重建，直觀形象地顯示出顱內(nèi)、外血管以及顱骨等結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)(圖1,見(jiàn)封底)。授課時(shí)，在虛擬空間中可以將CT平片與重建出的三維模型同時(shí)呈現(xiàn)出來(lái)(圖1B、1C,見(jiàn)封底)，并進(jìn)行伸縮、旋轉(zhuǎn)，將結(jié)構(gòu)與CT平片結(jié)合起來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地講解。

在講解過(guò)程中，首先通過(guò)重建出的三維模型大致介紹腦內(nèi)重要靜脈、動(dòng)脈的走行分布，靜脈如矢狀竇、直竇、橫竇及乙狀竇等，動(dòng)脈如頸內(nèi)動(dòng)脈、大腦中動(dòng)脈、基底動(dòng)脈、椎動(dòng)脈等(圖2,見(jiàn)封底)。通過(guò)利用 Mimics軟件的Enable/disable clipping功能，對(duì)比在CT片上血管的走行變化，旋轉(zhuǎn)、伸縮以進(jìn)行三維展示，加深學(xué)生對(duì)其認(rèn)識(shí)理解。此外，猶可利用該功能來(lái)進(jìn)行展示連續(xù)斷面上血管在顱骨中的位置關(guān)系(圖1D,見(jiàn)封底)，并且使之進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化，加深學(xué)生對(duì)其實(shí)際走行分布的理解。

其次，將對(duì)頸內(nèi)動(dòng)脈走行進(jìn)行重點(diǎn)的講解。在傳統(tǒng)的斷層解剖課中，一般采用二維圖像結(jié)合CT平片進(jìn)行講解，但是由于連續(xù)的CT圖像之間有一定的間距，在頸內(nèi)動(dòng)脈巖段C2、海綿竇段C4等彎曲處，上下2張CT平片之間存在較大差異(圖3,見(jiàn)封底)。因此，通過(guò)Mimics軟件的三維重建功能，可以將有一定間距的CT圖像中的結(jié)構(gòu)完整地重建出來(lái)，顯示出較為清楚的頸內(nèi)動(dòng)脈的形態(tài)。同時(shí)，在觀察時(shí)通過(guò)控制其動(dòng)態(tài)變化，清晰顯示出頸內(nèi)動(dòng)脈三維模型在CT片上的變化(圖4,見(jiàn)封底)。

2.2 腹部教學(xué)

按照2.1中敘述的方法，將腹部CT斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中，得到肝及血管的三維模型，同時(shí)將其顯示在虛擬正交斷層上。在講解過(guò)程中，由于肝的分葉在平面圖上不能完全地顯示，所以在理解的時(shí)候會(huì)有一定的困難。同時(shí)，在影像解剖學(xué)的學(xué)習(xí)中，由于CT圖像所顯示的肝斷面較難理解，尤其是在不同的CT平面上其斷面結(jié)構(gòu)差異較大。所以在講課過(guò)程中，可以比對(duì)CT圖像中的肝葉，通過(guò)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)重建出的模型，更為形象地教授講解，從而來(lái)加深學(xué)生對(duì)肝的理解(圖5,見(jiàn)封底)。在普通的平片圖像上，肝膈面和臟面的結(jié)構(gòu)顯示的比較片面，不能夠完全表示出肝的結(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)利用Mimics軟件將肝重建出來(lái)之后，可以看到1個(gè)立體的肝結(jié)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，能夠?qū)ζ淞Ⅲw結(jié)構(gòu)有明確的了解(圖4A1、B1,見(jiàn)封底)。同時(shí)，平面上所見(jiàn)的肝內(nèi)管道由于較為復(fù)雜，所以辨識(shí)時(shí)較為困難。通過(guò)Mimics三維重建出肝管道結(jié)構(gòu)，可以清晰觀察出肝靜脈、肝動(dòng)脈、肝門靜脈之間的走行關(guān)系(圖4A2、B2,見(jiàn)封底)。

2.3 教學(xué)應(yīng)用

將Mimics軟件重建出的三維模型進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)過(guò)程順利，教師授課時(shí)易于表達(dá)三維空間結(jié)構(gòu)的實(shí)際分布。同時(shí)在對(duì)學(xué)生的評(píng)估中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生可通過(guò)清晰明確的三維重建模型，準(zhǔn)確對(duì)人體各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位，對(duì)于其分布及構(gòu)成有了很好的學(xué)習(xí)效果，降低了學(xué)習(xí)難度。通過(guò)三維重建出的模型進(jìn)行授課，同時(shí)降低了授課與聽(tīng)課的難度，增強(qiáng)了授課效率，提高了學(xué)習(xí)質(zhì)量。

3 討論

3.1 虛擬正交斷層及其三維模型進(jìn)行立體教學(xué)

在影像解剖學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)習(xí)不同器官的解剖結(jié)構(gòu)時(shí)，目前國(guó)內(nèi)授課均采用二維平面圖像教學(xué)，即一般采用斷層標(biāo)本圖像及CT圖像結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)。此方式有較大的缺點(diǎn)。譬如，由于在幾個(gè)連續(xù)的圖像過(guò)渡變化時(shí)，由于其中有一定的間距，有些結(jié)構(gòu)會(huì)在2張CT片上有截然不同的形態(tài)，顯示出較大的變化，故在學(xué)習(xí)時(shí)將會(huì)遇到較大的困難；同時(shí)，在解剖學(xué)的講授過(guò)程中，由于平面圖片過(guò)于抽象，教師在講解時(shí)會(huì)有一定的局限；此外不能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行三維的思考，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中由于抽象而感到學(xué)習(xí)吃力等。然而影像解剖學(xué)的學(xué)習(xí)就是一個(gè)從立體到平面再到立體的變換過(guò)程，對(duì)人體器官等組織結(jié)構(gòu)要做出正確的認(rèn)識(shí)，必須通過(guò)視覺(jué)過(guò)程，憑大腦中樞和積累的解剖學(xué)知識(shí)及成像技術(shù)知識(shí)等去辨認(rèn)這些二維圖像[4]。同時(shí)要反向進(jìn)行思考，在大腦中生成一個(gè)虛擬的三維人體結(jié)構(gòu)，根據(jù)此方法對(duì)人體結(jié)構(gòu)有明確清晰的認(rèn)識(shí)[5]。這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)之時(shí)必須要有能將二維平面轉(zhuǎn)化為三維空間的能力。因此在授課時(shí)，進(jìn)行立體教學(xué)便顯得極為重要。所以，通過(guò)使用三維重建功能，在平面及立體之間相互轉(zhuǎn)化，應(yīng)用于平時(shí)的學(xué)習(xí)及臨床病例之中，建立學(xué)生一個(gè)立體的思維。可以通過(guò)多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想： (1) 加強(qiáng)立體-平面-立體的思維意識(shí)；(2) 增加大體標(biāo)本與二維圖像對(duì)比；(3) 三維示意圖像輔助學(xué)習(xí)[5]。因此，在學(xué)習(xí)中運(yùn)用虛擬正交斷層及其三維模型對(duì)立體思維的建立也是極為重要。

筆者通過(guò)頭部與腹部連續(xù)斷層建立出顱骨、頭部血管及肝的三維模型，在對(duì)其結(jié)構(gòu)及分布進(jìn)行講述時(shí)，可以通過(guò)在虛擬空間中展示其結(jié)構(gòu)以進(jìn)行。在傳統(tǒng)教學(xué)中，由于頭部血管走行復(fù)雜，變化明顯，所以學(xué)生在理解頭部血管的實(shí)際空間結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)有一定的困難；同時(shí)，在斷層影像解剖學(xué)的學(xué)習(xí)中，在CT圖像所顯示的血管變化尤為明顯，學(xué)生難以理解其變化，故不能辨認(rèn)出此結(jié)構(gòu)。因此，利用建立出的三維模型進(jìn)行授課，可以對(duì)比CT圖像及模型中的血管，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)重建出的模型，更為形象直觀地講解，從而來(lái)加深學(xué)生對(duì)血管走行的理解，同時(shí)，通過(guò)其動(dòng)態(tài)連續(xù)變化，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)走行、變化的理解與掌握。

3.2 利用虛擬正交斷層及其三維模型進(jìn)行教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

在將虛擬正交斷層及其三維模型應(yīng)用于教學(xué)方面，有較多的優(yōu)點(diǎn)。第一，來(lái)自于CT的血管三維數(shù)字化建模材料能夠提供人體血管的清晰圖像[6]，其來(lái)源于醫(yī)院的真實(shí)數(shù)據(jù)并且可以通過(guò)不同的數(shù)據(jù)得到不同的結(jié)果，所以這樣得到的結(jié)果是真實(shí)可靠的，在學(xué)習(xí)時(shí)更具有普遍性和客觀性，易于為學(xué)生學(xué)習(xí)理解。其次，目前斷層影像解剖學(xué)授課主要以斷層標(biāo)本圖像和二維圖像為主，而此類圖片對(duì)于立體空間中結(jié)構(gòu)變化的學(xué)習(xí)有一定的局限。應(yīng)用3D重建技術(shù)，可以真實(shí)準(zhǔn)確地呈現(xiàn)人體解剖學(xué)形態(tài)，利于學(xué)生的學(xué)習(xí)理解。同時(shí)，我們可以選取不同時(shí)期、不同狀態(tài)的人體CT圖像，從而構(gòu)建出各種狀態(tài)的重建人體模型。除此之外，使用Mimics制作出三維模型之后，加以種種解剖結(jié)構(gòu)的注釋，之后便可以拷貝給學(xué)生，供學(xué)生在課后復(fù)習(xí)斷層解剖結(jié)構(gòu)，利于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握，并且更加的高效直接。

通過(guò)三維重建軟件構(gòu)建的顱骨、血管及肝進(jìn)行斷層影像解剖學(xué)的教學(xué)，對(duì)虛擬正交斷層及三維模型在斷層影像解剖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行概述，了解虛擬正交斷層及三維模型的確可以將真實(shí)的人體數(shù)據(jù)反映出來(lái)，并且應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像解剖學(xué)課程的授課之中。因此，運(yùn)用虛擬正交斷層及三維模型技術(shù)，在斷層影像解剖學(xué)的教學(xué)應(yīng)用方面有極為廣闊的前景。