基于CT后處理技術(shù)人體血管系統(tǒng)三維重建圖像在系統(tǒng)解剖學學習中的應(yīng)用

柏嚴　李鵬　陳丹丹　趙研　曹文利　勾若宇

摘要：目的? 構(gòu)建基于CT圖像后處理技術(shù)的人體血管三維圖像數(shù)據(jù)庫，觀察其在系統(tǒng)解剖學學習中應(yīng)用效果。方法? 于2018年3月～9月隨機選取我校2018級影像專業(yè)的60名學生作為研究對象，隨機分為對照組和研究組，各30名。對照組使用解剖圖譜等傳統(tǒng)學習方法，研究組使用由醫(yī)學影像圖像后處理工作站構(gòu)建的正常人體血管系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫學習，學習結(jié)束后進行考試，通過問卷方式調(diào)查兩組學生的學習效果反饋情況。結(jié)果? 研究組學生的考試成績?yōu)椋?2.59±4.28）分，及格率為100.00%。對照組學生考試成績（71.45±3.78）分，及格率為80.31%，研究組學生平均成績和及格率均高于對照組，差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05）;研究組學生對降低實驗學習的難度、更易于理解和記憶、提高學習興趣、三維或二維圖像學習操作的難易程度、對學習效率的滿意度等各項評分結(jié)果均高于對照組，差異均有統(tǒng)計學意義（P<0.05）。結(jié)論? 在系統(tǒng)解剖學學習中使用基于CT后處理工作站構(gòu)建的三維圖像數(shù)據(jù)庫可有效提升系統(tǒng)解剖學的學習效果，使學生更易于理解，有助于提高學習興趣及效率。

關(guān)鍵詞：脈管系統(tǒng);三維重建;數(shù)據(jù)庫;系統(tǒng)解剖學

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：B? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.14.004

文章編號：1006-1959（2019）14-0008-03

Abstract：Objective? To construct a three-dimensional image database of human blood vessels based on CT image post-processing technology， and observe its application effect in systematic anatomy learning.Methods? From March to September 2018， 60 students from the 2018-level imaging major of our school were randomly selected as the research subjects， and were randomly divided into the control group and the research group， 30 each. The control group used traditional learning methods such as anatomical atlas. The research group used the normal human vascular system database constructed by the medical image post-processing workstation to conduct the examination after the end of the study， and investigated the learning effect feedback of the two groups of students through questionnaires.Results? The test scores of the study group students were （82.59±4.28） and the pass rate was 100.00%. The test scores of the students in the control group were （71.45±3.78）， and the pass rate was 80.31%. The average score and pass rate of the study group were higher than the control group， the difference was statistically significant （P<0.05）. The study group students were more difficult to understand the experimental study， easier to understand and remember， improves their interest in learning， 3D or 2D images. The scores of learning difficulty and satisfaction with learning efficiency were higher than those of the control group，the differences were statistically significant （P<0.05）.Conclusion? Using the 3D image database constructed by CT post-processing workstation in system anatomy learning can effectively improve the learning effect of system anatomy， making it easier for students to understand and help to improve learning interest and learning efficiency.

Key words：Vasculature;Three-dimensional reconstruction;Database;System anatomy

系統(tǒng)解剖學（System anatomy）是一門直觀性很強的形態(tài)學科，是每個醫(yī)學生必須掌握的基本知識。血管系統(tǒng)在系統(tǒng)解剖學實驗教學中是一大難點，血管遍布人體全身，分支分布錯綜復(fù)雜，且由于軟組織、骨骼的影響，僅通過實驗課中的觀察和課本二維平面抽象學習，對教師的教學和學生的學習都是極大的挑戰(zhàn)。隨著醫(yī)學技術(shù)、計算機圖像技術(shù)的高速發(fā)展以及計算機輔助臨床教學的迫切需要，目前已出現(xiàn)多種圖像的三維重建方法。三維圖像后處理技術(shù)可以對人體的任何一個部位進行可視化觀察[1]。本研究利用醫(yī)學影像圖像后處理工作站，對人體主要大血管進行三維重建，構(gòu)建出血管系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)庫，學生通過該數(shù)據(jù)庫學習，大大降低了老師的教學難度及學生的學習難度，現(xiàn)報告如下。

1對象與方法

1.1研究對象? 于2018年3月～9月收集西安醫(yī)學院2018級影像專業(yè)的60名學生作為研究對象，所有學生均為初次學習系統(tǒng)解剖學。按照隨機數(shù)字表法分為研究組和對照組，各30名。研究組中男7名，女23名;年齡18～21歲，平均年齡（19.21±0.63）歲。對照組中男10名，女20名;年齡18～22歲，平均年齡 （19.28±0.69）歲。兩組學生年齡、性別比較，差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05），研究可比。

1.2方法

1.2.1三維圖像數(shù)據(jù)庫構(gòu)建? 收集西安醫(yī)學院醫(yī)學影像實驗中心影像圖像后處理工作站人體增強血管圖像300例，包括人體全身各部位血管影像，年齡18～50歲，性別不限。選取多層螺旋CT動態(tài)增強掃描數(shù)據(jù)，掃描條件為：管電壓120 kVp，管電流100 mAs，層厚1.25 cm，重建間隔1.6 mm，螺距1～1.25 mm。三維圖像數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法：表面陰影顯示（shaded surface display，SSD），最大密度投影（maximal intensity? projection，MIP），容積再現(xiàn)（volume rendering，VR）。使用圖像后處理工作站進行全身血管的三維圖像構(gòu)建，胸腹部動脈等大血管部分可使用較大層厚，小血管及分支部分使用薄層掃描，重建出血管的形態(tài)及基本走向。再使用后處理技術(shù)對細節(jié)部分進行重建處理。使用不同顏色對動靜脈及各分支進行顯示，盡量使血管的形態(tài)，解剖結(jié)構(gòu)及臨近組織等得到最佳的顯示[2]。

1.2.2學生學習方法? 將重建后的血管系統(tǒng)三維圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用到西安醫(yī)學院2018級學生系統(tǒng)解剖學學習中，研究組學生使用三維數(shù)據(jù)庫學習，對照組學生采取解剖圖譜等傳統(tǒng)模式學習。

1.3評價指標? 設(shè)計試卷及問卷，通過試卷成績比較兩組同學的學習結(jié)果，總分100分，成績在60分以上者為及格，考試后統(tǒng)計及格人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比率。通過問卷方式調(diào)查兩組學生的學習效果反饋情況，主要考察學生在降低實驗學習難度，易于理解和記憶，提高學習興趣，三維（二維）圖像學習操作難易程度及學習效率的滿意度等方面的看法，采用5分制進行量化打分，分數(shù)越高說明效果越好。

1.4統(tǒng)計學方法? 本次研究數(shù)據(jù)使用SPSS 21.0中文版軟件進行數(shù)據(jù)分析，計數(shù)資料以（%）表示，采用？字2檢驗，計量資料采用（x±s）表示，行t檢驗，P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2結(jié)果

2.1兩組學生考試成績比較? 研究組學生的考試成績?yōu)椋?2.59±4.28）分，及格率為100.00%。對照組學生考試成績（71.45±3.78）分，及格率為80.31%。研究組學生平均成績和及格率均高于對照組，差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05）。

2.2兩組調(diào)查問卷結(jié)果比較? 研究組認為利用三維數(shù)據(jù)庫學習血管系統(tǒng)，立體感強，能全面的了解血管系統(tǒng)的分支，流向以及正常與病理的比較更加直觀。對解剖學學習很有幫助。而對照組也通過與研究組學習成果的對比，對三維數(shù)據(jù)庫的學習興趣明顯提高，見表1。

3討論

3.1基于CT圖像后處理技術(shù)的血管成像特點? 在數(shù)據(jù)庫圖像的處理過程中，依據(jù)不同部位血管的復(fù)雜程度及結(jié)構(gòu)特點選取不同的后處理方法。①SSD顯示適合顯示復(fù)雜區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系，逼真地顯示增強血管的空間解剖結(jié)構(gòu)，具有良好的空間立體感，在血管互相重疊和扭曲部對動脈與周圍組織的空間關(guān)系顯示比MIP更加直觀，但其丟失信息較多，細節(jié)顯示較差，要充分顯示血管解剖結(jié)構(gòu)，還需要選擇合適的閾值，如果閾值調(diào)節(jié)過低，周圍組織就有過多的顯示;閾值調(diào)節(jié)過高，就會出現(xiàn)一些假象，并不適合將其作為顯示冠狀動脈的主要顯示技術(shù)，同時在顯示小血管分支受到限制[3]。②MIP是取每個像素的最大CT值進行投影，反映組織的密度差異，故對比度很高，可以廣泛應(yīng)用于血管的處理。但位于血管前方或后方的骨骼如脊柱，以及血管腔成非切線位的管壁鈣化，尤其是環(huán)形鈣化勢必掩蓋血管腔的顯示。因此，為了消除骨和其他高亮度的結(jié)構(gòu)影響，往往還需要做一些容積數(shù)據(jù)處理。③VR立體感豐富、邊緣柔和，可準確觀察血管整體形態(tài)及空間定位，在重建中細節(jié)顯示真實，不丟失容積數(shù)據(jù)，可任意角度、任意方向軸向旋轉(zhuǎn)，對比度好，不需要調(diào)節(jié)閾值，且可以保留二維數(shù)據(jù)信息，對血管的顯示能彌補SSD的不足而得到最大程度的保留，有利于在不同角度與平面顯示所保留的血管結(jié)構(gòu)，既有良好的空間立體感，又有一定的顯示血管系統(tǒng)的能力。但是由于數(shù)據(jù)多，占用計算機容量較大，重建較慢[4]。

3.2圖像數(shù)據(jù)庫的特點及在系統(tǒng)解剖學學習中的應(yīng)用? 在傳統(tǒng)教學中對脈管系統(tǒng)的解剖教學普遍使用的是課本、課件圖片及圖譜結(jié)合的教學方式。這種教學方式在理解脈管系統(tǒng)時較為抽象，需要學生自己將二維圖片轉(zhuǎn)化為三維，具有個體差異性，加大了教學的困難程度。而三維數(shù)據(jù)庫輔助教學將人體的血管分支直觀的展現(xiàn)在學生面前，從空間上講述每個血管的主干及分支的流向，形態(tài)特征等，再顏色區(qū)分開動靜脈，以生動形象的方式進行教學。三維圖像數(shù)據(jù)庫圖像采集于真實病例，與教學模型相比更真實，一些比較復(fù)雜且細微的結(jié)構(gòu)都可以完整清晰的演示出來，不僅為學生提供了有效重復(fù)視覺刺激的學習機會，而且還為教師對教學效果評價提供了非常大的便利性[5]。數(shù)據(jù)庫學習沒有時間、地點等的限制，方式新穎，節(jié)約時間，并且數(shù)據(jù)庫中的圖像可以自由縮放，分辨率高，操作方便。同時，解剖實驗室不能長時間對學生開放，學生學習時間有限。其次，解剖實驗課上多人共同通過一位“大體老師”學習，存在著標本缺失，損毀，顯示不清以及有一部分學生不能完全投入，不能清楚的理解解剖結(jié)構(gòu)的問題[6]。而這一系列的問題，三維數(shù)據(jù)庫的學習方式都能解決，老師通過電子設(shè)備實時教學，讓每位同學都能參與其中，能清晰的觀察到解剖結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫不只是提供了血管系統(tǒng)的三維影像，還提供相鄰的其他組織結(jié)構(gòu)三維影像，以明確血管在人體中的具體走向、形態(tài)與周圍組織的毗鄰關(guān)系，結(jié)合“大體老師”理解更為深入。

3.3圖像數(shù)據(jù)庫的不足之處? 任何一種教學方式都有利有弊，三維重建圖像數(shù)據(jù)庫也不例外。①在數(shù)據(jù)庫制作過程中，由于經(jīng)濟限制、軟件系統(tǒng)不夠先進完善、數(shù)據(jù)量過多，需要大量的時間，并且難免會有一些差錯，對于一些小血管顯示的精細度還不足;②三維重建數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建仍然需要結(jié)合人體解剖結(jié)構(gòu)，才能更好地提高教學效果;③其建立需耗費大量的人力、物力和財力，尤其是對血管、神經(jīng)等的分割與重建，往往需要計算機專業(yè)技術(shù)人員的協(xié)助才能完成，對工作人員的要求很高，并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的教學方法;④這種學習方式可以使用各種電子設(shè)備進行學習，學生有時候會被電子設(shè)備上的其他無關(guān)事情吸引，容易分心。

總之，人體血管三維重建數(shù)據(jù)庫打破了傳統(tǒng)的局限的教學方式，降低了學生的學習難度和老師的教學難度，促進解剖學的學習。適合在廣大醫(yī)學生的解剖學學習中推廣。

參考文獻：

[1]高璐，張曉紅，金海威，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在口腔頜面部解剖及三維數(shù)字模型構(gòu)建中的應(yīng)用[J].中國組織工程研究，2015，19（46）：7492-7497.

[2]馬錦怡，李鵬，喻國艷，等.基于CT圖像后處理技術(shù)人體骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)三維圖像在影像解剖學學習中的應(yīng)用價值[J].海南醫(yī)學，2018，29（14）：1991-1993.

[3]李輝安，華正權(quán)，龔娜.MSCT非增強掃描三維重建技術(shù)在診斷動靜脈畸形中的應(yīng)用[J].實用放射學雜志，2017，33（3）：460-462.

[4]李月卿.醫(yī)學影像成像理論[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2016：205-208.

[5]朱光瓊，劉建，唐謙，等.“數(shù)字人”解剖系統(tǒng)在系統(tǒng)解剖學實驗教學中的應(yīng)用探索[J].四川解剖學雜志，2016，24（1）：40-41.

[6]魯雪紅，王偉.影像解剖學教學中CT圖像及三維重建的應(yīng)用分析[J].醫(yī)藥前沿，2017，7（20）：392-393.

收稿日期：2019-4-9;修回日期：2019-4-22

編輯/王朵梅