人體血管三維重建圖像在影像解剖學(xué)中的應(yīng)用

陳丹丹　李鵬　柏嚴(yán)　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(kù)，用于觀察其在影像解剖學(xué)學(xué)習(xí)中應(yīng)用效果。方法：對(duì)照組為我學(xué)院2016級(jí)影像技術(shù)專業(yè)學(xué)生，使用解剖圖譜等傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法。研究組在學(xué)習(xí)中使用基于CT后處理技術(shù)的正常人體血管系統(tǒng)圖庫(kù)。兩組學(xué)習(xí)結(jié)束后同時(shí)進(jìn)行考試并填寫調(diào)查問卷，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果：對(duì)比兩組同學(xué)的成績(jī)平均值，研究組學(xué)生的測(cè)試平均值為（82.59±4.28）分，明顯高于對(duì)照組（71.45±3.78）分，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）;對(duì)降低學(xué)習(xí)難度、易于理解和記憶、提高學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率的提高、血管三維數(shù)據(jù)庫(kù)的滿意度進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示，研究組學(xué)習(xí)效果評(píng)分結(jié)果均優(yōu)于對(duì)照組，各項(xiàng)評(píng)分結(jié)果比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。結(jié)論：在影像解剖學(xué)學(xué)習(xí)中使用基于CT后處理工作站構(gòu)建的人體血管系統(tǒng)三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)可有效提升影像解剖學(xué)中血管系統(tǒng)的學(xué)習(xí)效果。

【關(guān)鍵詞】血管系統(tǒng);三維重建;數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)： R322;R319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）19-0225-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.108

影像解剖學(xué)是利用醫(yī)學(xué)影像學(xué)成像方法研究人體正常形態(tài)結(jié)構(gòu)的一門學(xué)科，對(duì)掌握良好的解剖學(xué)知識(shí)，理解人體各器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)、位置和毗鄰關(guān)系及相關(guān)成像技術(shù)至關(guān)重要，血管系統(tǒng)影像解剖的學(xué)習(xí)是難點(diǎn)之一，其呈現(xiàn)方式包括血管斷層圖像及各種造影圖像，要求學(xué)生具有很好的空間想象力，在腦海里建立起血管系統(tǒng)較為完整的空間走形分布，這也是解剖課程學(xué)習(xí)中的一大難點(diǎn)。以往的學(xué)習(xí)中主要采用血管影像圖像與解剖圖譜相結(jié)合的方法，學(xué)生對(duì)血管的走形分布的理解往往不能形成立體、直觀的印象，對(duì)教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)都具有一定難度[1]。本課題研究利用醫(yī)學(xué)影像圖像后處理工作站，對(duì)人體主要大血管進(jìn)行三維重建，構(gòu)建出血管系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)庫(kù)用于影像解剖學(xué)教學(xué)，將血管系統(tǒng)的形態(tài)分支立體的展現(xiàn)，以降低教學(xué)難度和學(xué)生學(xué)習(xí)難度[2]。

1 材料和方法

（1）一般材料利用西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像實(shí)驗(yàn)中心PACS系統(tǒng)中CT血管掃描520例，其中性別、年齡不限，掃描方式為多層螺旋掃描，管電壓120kvp，管電流自動(dòng)調(diào)節(jié)，層厚0.625～1.25mm，重建間隔1.6mm，螺距1～1.25。隨機(jī)選取60名學(xué)院2016級(jí)影像技術(shù)專業(yè)學(xué)生設(shè)為研究組和對(duì)照組各30人。

（2）構(gòu)建人體正常血管三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)精選人體血管螺旋CT增強(qiáng)圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入影像圖像后處理工作站中重建人體血管系統(tǒng)三維圖像，具體包括容積再現(xiàn)（Volume rendering VR），表面影陰遮蓋（Surface Shaded Display SSD）、最大密度投影（Maximum Intensity Projection? MIP）等，利用圖像三維處理的閾值設(shè)定選擇擬重建部分，盡量使圖像方位角度、主要結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)得到最優(yōu)顯示，并對(duì)圖像進(jìn)行切割，選取興趣區(qū)域。對(duì)三維重建獲得的圖像標(biāo)注正確的結(jié)構(gòu)名稱，按照部位分類編號(hào)存儲(chǔ)，構(gòu)成人體正常血管三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）影像解剖學(xué)學(xué)習(xí)效果對(duì)比 將構(gòu)建的人體血管數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用到我學(xué)院2016級(jí)影像技術(shù)專業(yè)學(xué)生影像解剖學(xué)的學(xué)習(xí)中，設(shè)立研究組及對(duì)照組，各隨機(jī)選取30名志愿者，研究組學(xué)生在學(xué)習(xí)期間使用血管三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)輔助課程學(xué)習(xí)，對(duì)照組則是傳統(tǒng)教學(xué)模式。學(xué)習(xí)結(jié)束后對(duì)兩組學(xué)習(xí)效果進(jìn)行試卷測(cè)試及問卷調(diào)查。試卷內(nèi)容及調(diào)查問卷自行設(shè)定，調(diào)查項(xiàng)為是否降低學(xué)習(xí)難度、是否易于理解和記憶、是否提高學(xué)習(xí)興趣、對(duì)三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)或傳統(tǒng)教學(xué)的滿意度及是否提高學(xué)習(xí)效率，對(duì)五項(xiàng)進(jìn)行量化打分，再統(tǒng)計(jì)分析， 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參考LIKERT五分量表法。

（4）統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS21.0中文版軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，t檢驗(yàn)進(jìn)行兩組統(tǒng)計(jì)結(jié)果間比較，兩組對(duì)比具有顯著差異， P<0.05，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

（1）兩組學(xué)生的成績(jī)測(cè)評(píng)研究組學(xué)生的測(cè)試平均成績(jī)?yōu)?2.59±4.28分，及格率為100%。對(duì)照組學(xué)生的測(cè)試平均成績(jī)?yōu)?1.45±3.78分，及格率為80.31%。研究組無(wú)論是平均成績(jī)還是及格率均高于對(duì)照組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。

（2）兩組學(xué)生的學(xué)習(xí)效果反饋 采用人體血管三維數(shù)據(jù)庫(kù)明顯降低了學(xué)習(xí)的難度，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效率。與對(duì)照組相比，研究組對(duì)三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的滿意度更高，認(rèn)為其更易于理解和記憶，對(duì)影像解剖學(xué)的學(xué)習(xí)有很大的幫助。兩組學(xué)生的學(xué)習(xí)效果比較、差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），見表1。

問卷分別設(shè)置了以下五個(gè)問題，采用五分制對(duì)問題進(jìn)行打分。結(jié)果如下。

表1 兩組學(xué)生的學(xué)習(xí)效果反饋比較[3]（X±S，分）

3 討論

1）圖像后處理技術(shù)的選擇血管系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用后處理技術(shù)依據(jù)其不同部位血管的特點(diǎn)及觀察目的選擇不同方法[3-4]：（1）表面陰影顯示（SSD）只保留所選CT閾值范圍內(nèi)的像素，可觀察只保留部位的血管結(jié)構(gòu)，將超出CT閾值的像素透明處理，并采用計(jì)算軟件模擬的光源成像技術(shù)得到重組的三維圖像，立體感、真實(shí)感很強(qiáng)，完整展現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)，逼真地顯示增強(qiáng)血管的空間解剖結(jié)構(gòu)，在血管互相重疊和扭曲部對(duì)動(dòng)脈與周圍組織的空間關(guān)系顯示比MIP更加直觀易理解，但受閾值影響明顯，如果閾值調(diào)節(jié)過低，血管的顯示毛躁，周圍組織就有過多的顯示;閾值調(diào)節(jié)過高，就會(huì)出現(xiàn)一些假象，同時(shí)顯示小血管分支受限制。（2）最大密度投影（MIP）是將沿視角方向上的數(shù)據(jù)中的最大CT值的像素保留，且被投影到二維平面上，得到重建后的圖像能夠充分展現(xiàn)出組織之間的高密度，以及密度之間的差異，且可以任意角度旋轉(zhuǎn)及對(duì)感興趣區(qū)域外的重建，能顯示出細(xì)微密度差別。MIP技術(shù)在SSD技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，能使圖像的層次感更強(qiáng)烈。因其反應(yīng)的是像素的最大密度值，因此周圍高密度的結(jié)構(gòu)可能影響對(duì)動(dòng)脈血管的觀察，為了能更清晰的顯示動(dòng)脈，必須進(jìn)行大量耗時(shí)的編輯減切工作，同時(shí)能顯示更多次級(jí)血管分支。主要優(yōu)勢(shì)是能較好顯示小血管及強(qiáng)化不佳的血管結(jié)構(gòu)。（3）容積再現(xiàn)（VR）是通過對(duì)三維圖像的預(yù)處理，將三維數(shù)據(jù)投影到二維屏幕上，其保持了其保持了原圖像中的模糊信息，在原圖像物體邊界難以清晰分割時(shí)具有較大優(yōu)勢(shì)。VR圖像立體感豐富，邊緣柔和，可準(zhǔn)確觀察血管整體形態(tài)及空間定位，在重建中細(xì)節(jié)顯示真實(shí)，特別是對(duì)復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)如血管的觀察有很大幫助，不丟失容積數(shù)據(jù)，可任意角度、任意方向軸向旋轉(zhuǎn)，不需要調(diào)節(jié)閾值，且可以保留二維數(shù)據(jù)信息，對(duì)血管的顯示能彌補(bǔ)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)。

（2）人體血管三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)在醫(yī)學(xué)影像解剖學(xué)學(xué)習(xí)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì) 本研究中利用螺旋CT增強(qiáng)掃描數(shù)據(jù)和影像圖像后處理技術(shù)構(gòu)建人體血管三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，直觀、形象地展示血管解剖的三維結(jié)構(gòu)，使初學(xué)者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， 更易于學(xué)生對(duì)人體血管走形分布的理解， 將標(biāo)本、圖譜不易觀察的血管結(jié)構(gòu)清晰顯示，克服了傳統(tǒng)教學(xué)的不足[5]。形象的三維圖像，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣、活躍學(xué)習(xí)氛圍、提高學(xué)習(xí)效率的同時(shí)進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。另一方面三維數(shù)據(jù)庫(kù)為電子讀物，通過手機(jī)等信息化工具可隨時(shí)隨地瀏覽學(xué)習(xí)，在遇到問題時(shí)也可隨時(shí)在線上交流并在沒有紙筆的情況下及時(shí)做好標(biāo)記，具有實(shí)時(shí)性、高效性、方便攜帶不易丟失損壞，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)解剖教學(xué)中結(jié)構(gòu)顯示不清難以理解、標(biāo)本缺乏[6]、易毀損、圖譜厚重不方便攜帶等困難。另一方面也推動(dòng)了教學(xué)的發(fā)展，使教學(xué)形式更具多樣性、先進(jìn)性。通過調(diào)查使用三維數(shù)據(jù)庫(kù)的研究組表示形象的三維數(shù)據(jù)庫(kù)、不同偽彩的視覺沖擊能夠激發(fā)大家主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣并提高學(xué)習(xí)效率。對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，相比于對(duì)照組對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)在降低學(xué)習(xí)難度、易于理解和記憶、提高學(xué)習(xí)興趣及提高學(xué)習(xí)效率等多項(xiàng)內(nèi)容的評(píng)價(jià)，研究組對(duì)三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的評(píng)分明顯更高。值得一提的是對(duì)照組滿意度2.07±0.63分，而研究組滿意度達(dá)到3.13±0.57分，說(shuō)明利用現(xiàn)代信息化工具和影像數(shù)據(jù)庫(kù)相配合是目前受學(xué)生歡迎的一種學(xué)習(xí)方式，這也提醒我們今后教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)和方向。我國(guó)近些年電腦技術(shù)以及移動(dòng)通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展，多媒體教學(xué)系統(tǒng)在教育教學(xué)得到了一定程度的普及，但是多媒體教學(xué)更多的方式是播放PPT以及相關(guān)影像資料，其教育傳播能力較強(qiáng)，但是對(duì)影像解剖學(xué)該類醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)多媒體教學(xué)以及標(biāo)本學(xué)習(xí)其教育作用進(jìn)一步降低[1-7]，現(xiàn)如今利用三維數(shù)據(jù)庫(kù)配合多媒體教學(xué)，有利于學(xué)生在課堂上通過人體血管三維圖像了解人體血管解剖結(jié)構(gòu)，使學(xué)生產(chǎn)生更為直觀的感受，增強(qiáng)視覺沖擊，學(xué)生學(xué)習(xí)效果增強(qiáng)顯著，極大地簡(jiǎn)化教師的表述，增進(jìn)學(xué)生的理解，提高學(xué)生主觀求知的積極性、便利性，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容及形式的多樣化，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量具有積極作用，是一種實(shí)用的教學(xué)及學(xué)習(xí)手段。

（3）研究的不足之處 血管系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)庫(kù)在影像解剖學(xué)教學(xué)中有著極大的優(yōu)勢(shì)，但也存在明顯的不足[8]。圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建工作量巨大，需選擇較好的血管增強(qiáng)病例，細(xì)致化圖像分割處理工作，要求制作者具有良好的血管解剖學(xué)基礎(chǔ)，并有足夠的耐心、精力。另外，在解剖學(xué)尸體標(biāo)本上血管解剖結(jié)構(gòu)眾多，一些細(xì)微結(jié)構(gòu)眾多，而本研究中構(gòu)建的血管圖像數(shù)據(jù)庫(kù)血管遠(yuǎn)端精細(xì)化程度尚不足、只能提供一些相對(duì)較大的血管數(shù)據(jù)供大家學(xué)習(xí)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的血管解剖結(jié)構(gòu)是由三維重建而來(lái)，顏色也是人為著色，與實(shí)際的尸體標(biāo)本有一定的色差，因此血管解剖知識(shí)的學(xué)習(xí)不能完全依賴于血管系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)庫(kù)，仍需要人體標(biāo)本和三維數(shù)據(jù)庫(kù)的相互結(jié)合[9]。同時(shí)操作者圖像后處理經(jīng)驗(yàn)有限，存在圖像重建技術(shù)選擇不當(dāng)，導(dǎo)致圖像在一定程度上失真?；谝陨显虮狙芯克鶚?gòu)建三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)尚不夠完善。

綜上所述，基于CT圖像后處理技術(shù)的人體血管三維數(shù)據(jù)庫(kù)在影像解剖學(xué)血管系統(tǒng)中的應(yīng)用可以降低學(xué)習(xí)難度，使得學(xué)生更易于理解人體血管的空間分布、走向、形態(tài)與周圍組織的毗鄰關(guān)系，為后期學(xué)習(xí)影像診斷學(xué)、介入放射學(xué)等專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)也降低教師對(duì)人體血管講解難度，提高了授課效率[10]。另一方面隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不斷深入， 數(shù)字醫(yī)學(xué)已滲透至整個(gè)醫(yī)學(xué)科技領(lǐng)域[11-13]。教學(xué)已成為我國(guó)乃至世界醫(yī)學(xué)教育改革的主要方向， 它不僅將改變傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教育觀念，而且有助于醫(yī)學(xué)教育教學(xué)質(zhì)量和效果的提高。因此，該方法的應(yīng)用極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量，有效地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展方向，是一種簡(jiǎn)單、易行且有效的人體血管影像解剖輔助學(xué)習(xí)手段，有一定的推廣價(jià)值。

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