建構(gòu)醫(yī)療三維模型提高醫(yī)學(xué)類專業(yè)教學(xué)水平

王 磊，薛小燕，李 慧

（山西同文職業(yè)技術(shù)學(xué)院，介休 032000）

1 醫(yī)學(xué)類專業(yè)教學(xué)過程中存在的問題

當(dāng)前，在年輕醫(yī)生的培養(yǎng)中還存在諸多痛點(diǎn)，總結(jié)起來主要有以下幾點(diǎn)：（1）醫(yī)學(xué)類專業(yè)影像技術(shù)學(xué)科教材普遍滯后，學(xué)生接觸到知識(shí)往往與實(shí)際病例有脫節(jié)，學(xué)生很難從書本知識(shí)中得到所需的知識(shí)[1-2]。（2）年輕醫(yī)生的技能培養(yǎng)需要大量的用于技能訓(xùn)練的精確醫(yī)療模型。傳統(tǒng)標(biāo)本難保存、數(shù)量不足、種類少；市面上的醫(yī)療模型普遍精度差，技能訓(xùn)練效果一般[3-4]。（3）年輕醫(yī)生在醫(yī)學(xué)影像課程學(xué)習(xí)中，難以憑借平面的影像數(shù)據(jù)在大腦中構(gòu)建立體的病患處三維影像，這需要一個(gè)長(zhǎng)期的訓(xùn)練過程和經(jīng)驗(yàn)的積累。

2 建構(gòu)醫(yī)療三維模型，將平面的圖層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為立體的三維模型

針對(duì)上述問題，我們使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，基于真實(shí)病例的CT 和MRI 影像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)獲取和處理→醫(yī)療三維模型建構(gòu)→模型修復(fù)→模型檢測(cè)→模型呈現(xiàn)的流程，將晦澀難懂的平面影像數(shù)據(jù)變?yōu)樾蜗笊鷦?dòng)的三維模型。通過在模型建構(gòu)和模型修復(fù)兩個(gè)步驟中進(jìn)行檢測(cè)，形成兩個(gè)閉環(huán)的質(zhì)量控制過程，保證了醫(yī)療三維模型（以下均簡(jiǎn)稱模型）的準(zhǔn)確性。

2.1 數(shù)據(jù)獲取和處理

根據(jù)教學(xué)需要，在征得患者同意下情況下，在醫(yī)院影像科醫(yī)生的協(xié)助下，我們可以從CT 和MRI 中獲取相應(yīng)的平面圖層影像文件，文件一般為DICOM 格式，數(shù)量有幾百?gòu)埐坏取?/p>

2.2 模型的構(gòu)建

我們將取得DICOM 格式文件進(jìn)行整理，導(dǎo)入到Mimics 等醫(yī)學(xué)建模軟件中，通過選取合理的闕值，使病患處平面影像清晰，無(wú)多余組織干擾；之后，進(jìn)行手動(dòng)切割，對(duì)病患處的圖層文件進(jìn)行逐層精修，通過調(diào)整灰度，去除多余組織，或修補(bǔ)缺損組織；最后，點(diǎn)擊生成模型，軟件會(huì)根據(jù)圖層文件灰度信息，自動(dòng)生成病患處的模型[5]。

2.3 模型的修復(fù)

使用Mimics 等醫(yī)學(xué)建模軟件所生成的模型多存在法向錯(cuò)誤、缺損等問題，需要使用Migics 等模型修復(fù)軟件進(jìn)一步修復(fù)。在軟件中，進(jìn)行缺損填補(bǔ)、多余面片刪除、外殼合并、法向修復(fù)、表面光滑處理，生成最終的模型。

2.4 模型的檢測(cè)

為了保證模型的準(zhǔn)確性，我們?cè)谀Ｐ徒?gòu)和模型修復(fù)兩個(gè)步驟中引入檢測(cè)環(huán)節(jié)，通過檢測(cè)修改形成兩個(gè)閉環(huán)的質(zhì)量保證體系。借助Zspace 的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，我們選擇關(guān)鍵點(diǎn)，在虛擬的模型中檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，與圖層文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)誤差較大的地方進(jìn)行修復(fù)，確保模型上各關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)準(zhǔn)確。至此，我們已經(jīng)得到了一個(gè)基于CT、核磁平面圖層影像的醫(yī)療三維模型。

2.5 模型的呈現(xiàn)

借助Zspace 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將得到的模型在虛擬空間中呈現(xiàn)在師生面前，使師生得到沉浸式的感官體驗(yàn)，獲得不一樣的教、學(xué)感受；同樣，將模型進(jìn)行切片，設(shè)定合理的補(bǔ)償值，使用光敏固化3D 打印機(jī)進(jìn)行打印，可以將虛擬模型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體模型，這樣的實(shí)體模型可以用來進(jìn)行教學(xué)和技能訓(xùn)練。

3 醫(yī)療三維模型的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)

3.1 將圖層影像轉(zhuǎn)化為三維模型，在教學(xué)中有利于學(xué)生理解和掌握

通過構(gòu)建醫(yī)療三維模型，將晦澀難懂的平面圖層影像變?yōu)榫唧w生動(dòng)的三維模型，并呈現(xiàn)，學(xué)生可以很容易的讀懂CT、MRI影像圖，這將有助于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維，幫助他們完成醫(yī)學(xué)影像學(xué)科的學(xué)習(xí)。

3.2 可以得到真實(shí)的病例醫(yī)療三維模型，用于技能訓(xùn)練

基于CT、MRI 數(shù)據(jù)建構(gòu)出的真實(shí)的高精度的病患處模型，可以通過3D 打印轉(zhuǎn)化為大量實(shí)體模型。這樣，學(xué)生可以直接在實(shí)體模型上進(jìn)行模擬訓(xùn)練，掌握診斷和治療的相關(guān)知識(shí)，通過大量的技能訓(xùn)練培養(yǎng)其扎實(shí)的醫(yī)學(xué)功底。

3.3 可以為醫(yī)學(xué)研究提供病例模型

隨著醫(yī)療三維模型的應(yīng)用，將會(huì)得到越來越多的病例資料和模型，其中不乏具有研究?jī)r(jià)值的典型和罕見病例模型。同時(shí)，對(duì)某一病例的治療過程進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行連續(xù)的模型建構(gòu)，將會(huì)得到一系列恢復(fù)過程的模型。這些資料對(duì)于相關(guān)醫(yī)學(xué)研究將具有非常大的價(jià)值。

3.4 速度快、成本低，為醫(yī)院和醫(yī)學(xué)院校搭建連接的紐帶

在我們的實(shí)踐應(yīng)用中，醫(yī)療三維模型的建構(gòu)和應(yīng)用具有非常大的速度和成本優(yōu)勢(shì)。完成一個(gè)模型平均用時(shí)1-2天，3D 打印模型成本為5-7元/克。這將有助于拉近醫(yī)院和醫(yī)學(xué)院校的距離，讓最新的醫(yī)學(xué)知識(shí)迅速?gòu)尼t(yī)院走進(jìn)醫(yī)學(xué)院校，走進(jìn)教學(xué)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，構(gòu)建醫(yī)療三維模型并應(yīng)用，是醫(yī)工結(jié)合的典型實(shí)例。我們相信，不久的將來，類似的醫(yī)工結(jié)合項(xiàng)目會(huì)越來越多，將會(huì)成為醫(yī)療、醫(yī)學(xué)教育的新趨勢(shì)。