3D可視化解剖學(xué)系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)中作用初探

吳吉文

(福建醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)與組織學(xué)胚胎學(xué)系，福建福州350122)

圖像三維(three dimensiona1，3D)可視化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)將人體橫斷面數(shù)據(jù)信息在計(jì)算機(jī)里整合，重建人體的三維立體結(jié)構(gòu)圖像,為開展人體相關(guān)研究提供形象而真實(shí)的模型的技術(shù)[1]。此技術(shù)是科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興研究領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著巨大影響。3D可視化技術(shù)在醫(yī)療教學(xué)、醫(yī)學(xué)培訓(xùn)以及臨床應(yīng)用，有利于加快教育信息化進(jìn)程，提高現(xiàn)代化信息技術(shù)在教育系統(tǒng)中的應(yīng)用水平，彌補(bǔ)教學(xué)資源匱乏以及臨床實(shí)踐環(huán)境嚴(yán)峻等不足，為一線的教師提供一條高效教學(xué)的捷徑，為醫(yī)學(xué)生提供生動(dòng)靈活的學(xué)習(xí)方式，減輕學(xué)習(xí)的難度?？梢暬瘮?shù)字人體技術(shù)的發(fā)展為醫(yī)學(xué)教學(xué)改革帶來(lái)新的契機(jī)?；诳梢暬瘮?shù)字人體平臺(tái)，可在醫(yī)學(xué)教學(xué)、臨床應(yīng)用、規(guī)范化培訓(xùn)等進(jìn)行教學(xué)改革。改革的基本理念是著重提高學(xué)生的整體素質(zhì)，把教育從傳授知識(shí)為主向全面提高學(xué)生能力、素質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。

一、醫(yī)學(xué)教學(xué)、臨床應(yīng)用和規(guī)范化培訓(xùn)的現(xiàn)狀分析

解剖學(xué)是重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程之一，傳統(tǒng)教學(xué)往往以單純傳授知識(shí)為主體形式，忽視了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這顯然與當(dāng)前的教育改革要求不相適應(yīng)，不利于培養(yǎng)高素質(zhì)人才。人體解剖學(xué)專業(yè)名詞多、內(nèi)容繁雜，學(xué)生難以理解和掌握，常常影響教學(xué)效果。在影像學(xué)診斷上，醫(yī)生需要通過(guò)二維圖像去構(gòu)想出病灶處組織的三維空間結(jié)構(gòu)，因此對(duì)醫(yī)生的專業(yè)能力、臨床經(jīng)驗(yàn)、空間想象能力等提出了較高的要求，從而限制了醫(yī)學(xué)圖像在診斷過(guò)程中作用的發(fā)揮。在規(guī)范化培訓(xùn)中，學(xué)生與教學(xué)醫(yī)生之間的知識(shí)傳遞往往受制于現(xiàn)有的二維平面教學(xué)方式，面臨著從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化難題。

(一)醫(yī)學(xué)教學(xué)

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)模式和教學(xué)手段多以教學(xué)圖譜、教學(xué)模型、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、尸體解剖、現(xiàn)場(chǎng)觀摩等形式完成，這些方式有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但一定程度上均存在不足[2]。首先，傳統(tǒng)的講授式教學(xué)能在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)地傳授知識(shí)，但采用的滿堂灌的教學(xué)方式只注意知識(shí)的堆積，卻忽視了對(duì)知識(shí)的理解和深入思考，壓抑了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，難以培養(yǎng)學(xué)生自我分析解決問(wèn)題及科學(xué)研究的能力。其次，隨著醫(yī)學(xué)高等院校擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)大幅度增加，實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，致使教學(xué)中有的標(biāo)本長(zhǎng)期處于使用飽和狀態(tài)，且教學(xué)標(biāo)本質(zhì)量參差不齊，特別是由于尸體解剖受尸源限制無(wú)法普及，從而大大影響了解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

(二)臨床應(yīng)用

目前的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備大都只提供二維圖像，醫(yī)生需要通過(guò)二維圖像去構(gòu)想出病灶處組織的三維空間結(jié)構(gòu)，對(duì)醫(yī)生的專業(yè)能力、臨床經(jīng)驗(yàn)、空間想象能力等提出了較高的要求，從而限制了醫(yī)學(xué)圖像在診斷過(guò)程中作用的發(fā)揮。

(三)規(guī)范化培訓(xùn)

現(xiàn)有的教學(xué)模式還面臨著從理論到實(shí)踐轉(zhuǎn)化的難題。學(xué)生與教學(xué)醫(yī)生之間的知識(shí)傳遞受制于二維平面教學(xué)方式，優(yōu)質(zhì)的臨床醫(yī)生所擁有的豐富臨床經(jīng)驗(yàn)通過(guò)書寫式、課件式教學(xué)，難以與學(xué)生的理論知識(shí)建立良好的連接。許多臨床操作需要病人的配合，在當(dāng)前的醫(yī)患關(guān)系之下，學(xué)生難以長(zhǎng)時(shí)間、多次從病人身上進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。

二、3D技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)、臨床和規(guī)范化培訓(xùn)中的應(yīng)用

基于傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題，若將3D技術(shù)應(yīng)用于人體解剖學(xué)課程教學(xué)，則能使晦澀抽象的器官結(jié)構(gòu)清晰地呈現(xiàn)眼前，有助于學(xué)生更好地理解與掌握知識(shí)，同時(shí)增加學(xué)習(xí)樂(lè)趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分發(fā)揮教師在教學(xué)過(guò)程中的主導(dǎo)作用及體現(xiàn)學(xué)生的主體作用。3D可視化可以對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維重建和可視化處理，可以反復(fù)任意角度去觀察，能夠幫助年輕醫(yī)生快速建立起臨床操作需要的立體感和動(dòng)態(tài)解剖需要的整體感，這是二維平面無(wú)法達(dá)到的效果。比如腦血管在顱底的走行異常復(fù)雜，臨床醫(yī)生的教學(xué)效果往往取決于學(xué)生的空間想象能力，這必然影響到教學(xué)的效果和臨床的診斷及治療。而3D可視化技術(shù)把理論的解剖知識(shí)與臨床影像結(jié)合起來(lái)，能有效提高臨床學(xué)生識(shí)別解剖結(jié)構(gòu)的能力，從而快速全面提升臨床診療水平。此外，利用3D技術(shù)可以不受標(biāo)本資源的限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行解剖學(xué)教學(xué)和臨床培訓(xùn)，方便教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)。

(一)醫(yī)學(xué)教學(xué)

3D可視化對(duì)醫(yī)學(xué)傳統(tǒng)的教學(xué)模式、教學(xué)手段、教學(xué)方法都產(chǎn)生了巨大的沖擊。利用3D可視化解剖學(xué)系統(tǒng)，教師能在課堂上進(jìn)行虛擬解剖操作，模擬解剖過(guò)程，描述某種器官結(jié)構(gòu)組成、空間位置及毗鄰關(guān)系,使晦澀抽象的器官結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)眼前，有助于學(xué)生更好地理解與掌握知識(shí)，增加學(xué)習(xí)樂(lè)趣,很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[3]；學(xué)生可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行操作，觀察器官在人體的位置，了解其中具體結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置，并利用計(jì)算機(jī)操作，對(duì)虛擬人體進(jìn)行自主控制、旋轉(zhuǎn)體位、局部拆分，甚至按照自己的想法對(duì)虛擬人體進(jìn)行任意操作、模擬臨床手術(shù)。課余時(shí)間，學(xué)生還可以利用此項(xiàng)技術(shù)隨時(shí)隨地學(xué)習(xí),打破了學(xué)習(xí)解剖知識(shí)的空間和時(shí)間上的雙重局限性。目前，我校解剖樓各實(shí)驗(yàn)室和走廊已安置大型高清大屏，通過(guò)進(jìn)入3D解剖學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)，學(xué)生可以多角度、清晰地觀察人體三維結(jié)構(gòu)，可手動(dòng)分離、組合各部位并標(biāo)注，立體地剖析人體的特征結(jié)構(gòu)，極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性。比如，在解腦血管解剖教學(xué)中，筆者采用3D可視化顱底血管結(jié)合傳統(tǒng)模式進(jìn)行授課，使學(xué)生直接全方位、多視角觀察顱底的骨性通道與血管之間的走行關(guān)系(圖1)，明確其三維空間結(jié)構(gòu)上的關(guān)系，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足。再如，在教授頸內(nèi)動(dòng)脈行程和分部中，由于頸內(nèi)動(dòng)脈巖段在顳骨巖部的頸動(dòng)脈管內(nèi)走行，此段的特點(diǎn)是全程大部行于骨性管道內(nèi)，無(wú)法直視，學(xué)生往往無(wú)法理解其行程，而3D可視化則可清晰顯示血管的走向。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比較，3D教學(xué)提高了教學(xué)效率，縮短了學(xué)習(xí)過(guò)程，提升了教學(xué)效果。教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)課程感興趣人數(shù)明顯多于傳統(tǒng)教學(xué)法。

圖1 3D可視化的顱底血管

(二)臨床教學(xué)

現(xiàn)代醫(yī)療影像技術(shù)的不斷發(fā)展徹底改變了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的診斷和治療方式，具有劃時(shí)代的意義。各種不同的成像設(shè)備提供了多種模態(tài)的醫(yī)學(xué)圖像，如CT、MRI、超聲、核醫(yī)學(xué)圖像(PET、SPECT)等，這些信息為醫(yī)生提供了關(guān)于病變組織或器官的解剖、功能，充分利用這些信息，可以為臨床教學(xué)、診斷、治療以及療效評(píng)估提供更加全面的參考。例如，肝右動(dòng)脈變異是肝膽外科經(jīng)常遇到的問(wèn)題，其起源不定，若術(shù)前未充分地判斷和規(guī)劃，術(shù)中容易損傷繼而導(dǎo)致肝膿腫、膽道缺血等并發(fā)癥。通過(guò)醫(yī)學(xué)圖像 3 D可視化技術(shù)，可清晰了解肝右動(dòng)脈的變異及走行情況的圖像數(shù)據(jù)，使手術(shù)病灶明確、手術(shù)方式更加精確。隨著影像學(xué)的進(jìn)步，可視化3D影像在外科術(shù)前評(píng)估、手術(shù)方案的制定中扮演著越來(lái)越重要的角色[4]。3D成像技術(shù)還可展示小鼠脂肪細(xì)胞內(nèi)部的特征，成像結(jié)果表明，小鼠的內(nèi)臟脂肪更加模糊，神經(jīng)元纏繞的密度更低，而皮下脂肪的組織則相對(duì)更加有序，神經(jīng)元的纏結(jié)更加豐富。這一發(fā)現(xiàn)為代謝性疾病以及肥胖癥患者的靶向治療提供了新的研究思路[5]。3D生物打印技術(shù)還可將需要的細(xì)胞放置在相應(yīng)位置，細(xì)胞外基質(zhì)分布在細(xì)胞周圍，支持細(xì)胞的多種功能，為將來(lái)植入器官做鋪墊[6]。目前，3D打印應(yīng)已用于體外腫瘤組織模型的打印，用于研究腫瘤的滲透、增長(zhǎng)以及轉(zhuǎn)移等[7]。

(三)規(guī)范化培訓(xùn)中應(yīng)用

虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)典型應(yīng)用。虛擬手術(shù)是由醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)出發(fā)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)重構(gòu)出虛擬人體軟組織模型，模擬出虛擬的醫(yī)學(xué)環(huán)境，并利用觸覺(jué)交互設(shè)備與之進(jìn)行交互的手術(shù)系統(tǒng)，為醫(yī)生提供一個(gè)虛擬的3D環(huán)境以及可交互操作平臺(tái)，逼真地模擬臨床手術(shù)的全過(guò)程。與傳統(tǒng)的手術(shù)教學(xué)相比，虛擬手術(shù)具有無(wú)損傷性、可重復(fù)性和可指定性等優(yōu)點(diǎn)。在手術(shù)規(guī)劃模型中已實(shí)現(xiàn)心臟、肝臟、多發(fā)性動(dòng)脈瘤等模型的3D打印，使用該模型可以進(jìn)行術(shù)前路徑規(guī)劃模擬。在手術(shù)導(dǎo)板已實(shí)現(xiàn)骨科、牙科手術(shù)導(dǎo)板的定制，輔助醫(yī)生沿著導(dǎo)板確定的手術(shù)路徑或者植入方位，按照事先規(guī)劃好的方案實(shí)施精準(zhǔn)手術(shù)。骨科支具已實(shí)現(xiàn)術(shù)后康復(fù)、矯正支具的打印。骨科患者的個(gè)體化置入以3D可視化技術(shù)研發(fā)骨科假體和內(nèi)置物，參照患者的實(shí)際情況和特殊需求改進(jìn)內(nèi)置物與受區(qū)匹配度，以便符合解剖和生物力學(xué)的需求，滿足不同性別、人種、職業(yè)、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的個(gè)體需要[8-9]。近日，我校附屬協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)外科團(tuán)隊(duì)借用了3D打印、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augment reality，AR)、混合現(xiàn)實(shí)(mix reality,MR)技術(shù)，在生命支柱——脊柱上精準(zhǔn)動(dòng)刀。借助3D打印技術(shù)，按照1∶1等比例“克隆”了患者病變的腰椎部模型(圖2)。利用CT、核磁共振多角度拍攝的片子，計(jì)算機(jī)還原出一個(gè)虛擬卻又無(wú)比逼真的患者腰椎模型。醫(yī)生可以在逼真的世界里模擬手術(shù)全過(guò)程。與過(guò)往手術(shù)不同的是，這次手術(shù)的直播現(xiàn)場(chǎng)還有來(lái)自全國(guó)21個(gè)省份的30多名?？漆t(yī)生進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的觀摩學(xué)習(xí)。國(guó)內(nèi)也有團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用MR技術(shù)實(shí)現(xiàn)乳腺腫瘤精準(zhǔn)切除手術(shù)[10]。

圖2 3D打印的脊柱腰椎部模型

在醫(yī)學(xué)規(guī)范化培訓(xùn)中引入3D可視化技術(shù)，模擬還原臨床教學(xué)場(chǎng)景，允許更多學(xué)生反復(fù)多次并且有針對(duì)性地對(duì)臨床技能進(jìn)行學(xué)習(xí)。綜合運(yùn)用3D可視化，將有效地彌補(bǔ)現(xiàn)有的教學(xué)體系的缺陷，增強(qiáng)學(xué)生的操控性，繼而提高教學(xué)效果,并能通過(guò)逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，減少培訓(xùn)成本，提升培訓(xùn)的教學(xué)效果。

三、3D在醫(yī)學(xué)上運(yùn)用的展望

目前，人們正致力于3D可視化技術(shù)的探索，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航做基礎(chǔ)研究。在外科手術(shù)方面，3D可視化可以清晰地將血管、神經(jīng)、病變部位以具有層次感的方式表現(xiàn)出來(lái)。近幾年，3D可視化技術(shù)已在肝膽外科手術(shù)、白內(nèi)障超聲乳化術(shù)、腹腔鏡手術(shù)以及腫瘤外科等方面得到了較好的應(yīng)用，其中主要應(yīng)用在肝、膽、胰和腦部腫瘤手術(shù)[11-12]。利用通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間可以實(shí)現(xiàn)CT、MRI、超聲等圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送和數(shù)據(jù)共享，借助3D可視化技術(shù)的運(yùn)用，完成異地、交互式的指導(dǎo)、檢查、診斷、治療等醫(yī)療會(huì)診的內(nèi)容，最終達(dá)到遠(yuǎn)程治療、遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)培訓(xùn)等目的。我校在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、口腔醫(yī)學(xué)院、護(hù)理學(xué)院、臨床教學(xué)技能中心等已成立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，極大提高學(xué)生操作能力，幫助學(xué)生獲得對(duì)抽象知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)。3D可視化互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)集合了三維可視化和智能互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)邊學(xué)邊模擬實(shí)踐的高效教學(xué)，成為教學(xué)改革中一個(gè)新亮點(diǎn)。然而，3D可視化技術(shù)雖然取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但在實(shí)際重建過(guò)程中還存在著許多客觀問(wèn)題，例如圖像獲取過(guò)程中的噪聲、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、繪制速度慢等。在3D生物打印領(lǐng)域，3D打印最大的挑戰(zhàn)是在制造生物構(gòu)架時(shí)缺乏機(jī)械強(qiáng)度和整體性。而基于三維數(shù)字人體模型構(gòu)建虛擬針刺力反饋仿真系統(tǒng)，還不能滿足針灸教學(xué)和指導(dǎo)訓(xùn)練的要求，就虛擬行針手法模擬而言，力反饋儀在整個(gè)力反饋系統(tǒng)中有一定的局限性[13]。

綜上所述，以3D可視化技術(shù)構(gòu)建在線的3D人體器官模型應(yīng)用于解剖學(xué)教學(xué),不僅可以打破學(xué)生學(xué)習(xí)解剖知識(shí)的空間和時(shí)間上的雙重局限性，還可以提供教師多樣化的解剖學(xué)教學(xué)模式，這無(wú)疑是學(xué)習(xí)與教育上的大變革。在臨床方面，它不僅可以用于大量高難度的外科手術(shù)，還可以打破空間上的局限性，如遠(yuǎn)程醫(yī)療的出現(xiàn)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，解剖學(xué)教學(xué)領(lǐng)域會(huì)大量應(yīng)用3D可視化技術(shù)，這將積極地推進(jìn)我國(guó)醫(yī)學(xué)教育事業(yè)和醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展，為人類健康以及疾病治療方面謀福祉。