基于CT 3D 技術(shù)構(gòu)建X 線(xiàn)攝影特殊體位關(guān)節(jié)模型

周宇婷，高秀娟，戴雨柔，劉 惠，胡 芳

（1.湘南學(xué)院醫(yī)學(xué)影像檢驗(yàn)與康復(fù)學(xué)院 湖南 郴州 423000；2.湘南學(xué)院-山東樂(lè)潤(rùn)信息技術(shù)有限公司醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)校企合作創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育基地 湖南 郴州 423000）

X 線(xiàn)攝影技術(shù)是醫(yī)學(xué)影像專(zhuān)業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)部分。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，只憑借課本上的內(nèi)容和教師的語(yǔ)言描述與PPT 展示，學(xué)生難以理解在特殊體位下各骨關(guān)節(jié)的空間關(guān)系，掌握特殊攝影體位的知識(shí)點(diǎn)較為困難，抽象的內(nèi)容學(xué)習(xí)起來(lái)也枯燥乏味，學(xué)習(xí)效果一般。如何使抽象的各個(gè)骨關(guān)節(jié)具象化是需要解決的問(wèn)題。目前市場(chǎng)上推出的3D 軟件例如3Dbody、人體解剖學(xué)圖譜面向的都是人體正常解剖學(xué)圖譜，沒(méi)有特殊體位相關(guān)的三維圖像。為此，本研究利用CT 后處理技術(shù)創(chuàng)建X 線(xiàn)攝影特殊體位下目標(biāo)骨關(guān)節(jié)的三維電子模型，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)。

1 方法

1.1 采集數(shù)據(jù)

在本校招募學(xué)生志愿者，簽署知情同意書(shū)。在湘南學(xué)院附屬醫(yī)院資深影像技術(shù)人員的指導(dǎo)下擺放各特殊體位，囑咐志愿者盡量不要?jiǎng)樱课恢驹刚咄瓿?―2 個(gè)特殊體位下目標(biāo)骨關(guān)節(jié)的X 線(xiàn)攝影。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為西門(mén)子公司Definition AS 128 排CT，掃描層厚0~5mm，層間距0~25mm。掃描完成后將各個(gè)特殊體位目標(biāo)骨關(guān)節(jié)的容積數(shù)據(jù)以DICOM 格式復(fù)刻到獨(dú)立光盤(pán)中。共采集了10 個(gè)/組特殊體位。

1.2 導(dǎo)入數(shù)據(jù)

導(dǎo)入DICOM 數(shù)據(jù)到Mimics Research 20.0 軟件中解析為灰度圖像[1]。

1.3 Mimics 圖像分割

調(diào)整窗寬窗位，將骨關(guān)節(jié)清晰顯示。應(yīng)用閾值分割，以新的蒙版即“yellow”蒙版保存。對(duì)骨關(guān)節(jié)中存在的空腔和缺損進(jìn)行填補(bǔ)，剪裁蒙版中的骨關(guān)節(jié)。

1.4 計(jì)算三維模型

根據(jù)系統(tǒng)推薦的默認(rèn)選擇設(shè)定重建質(zhì)量參數(shù)，執(zhí)行操作，三維模型即顯示在了3D 視口。

1.5 設(shè)計(jì)軟件

將STL 格式文件導(dǎo)入“X 線(xiàn)攝影特殊體位骨關(guān)節(jié)模型系統(tǒng)”軟件中，在X 線(xiàn)攝影特殊體位骨關(guān)節(jié)模型系統(tǒng)軟件中設(shè)計(jì)特殊體位與正常解剖學(xué)體位兩個(gè)界面，加入觀察、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、隱藏、單獨(dú)顯示等功能。

2 學(xué)習(xí)效果調(diào)查

2.1 設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷

根據(jù)特殊體位學(xué)習(xí)的難易性、市場(chǎng)上的3D 解剖軟件與使用本研究成果后的學(xué)習(xí)效果三方面擬定了12 個(gè)條目。

2.2 三維模型輔助教學(xué)

選取湘南學(xué)院2020 級(jí)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)3 個(gè)班級(jí)（其中醫(yī)學(xué)影像技術(shù)1 班33 人，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)2 班28 人，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)3 班（專(zhuān)升本）54 人）使用三維模型組的軟件輔助學(xué)習(xí)特殊體位。

2.3 數(shù)據(jù)收集

調(diào)查問(wèn)卷的數(shù)據(jù)收集采取線(xiàn)上調(diào)查問(wèn)卷的方式。采用微信小程序“問(wèn)卷星”形成電子問(wèn)卷，通過(guò)微信發(fā)放。發(fā)放對(duì)象為接受三維模型輔助教學(xué)的3 個(gè)班級(jí)，調(diào)查時(shí)間持續(xù)三周，一共收集到77 份有效問(wèn)卷。整理數(shù)據(jù)，得到調(diào)研結(jié)果。

3 結(jié)果

一共收到77 份有效調(diào)查問(wèn)卷，具體結(jié)果顯示如表1：

表1 特殊體位模型軟件教學(xué)的課堂學(xué)習(xí)情況調(diào)查

4 討論

“醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)”是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)專(zhuān)業(yè)的核心課程。X 線(xiàn)攝影特殊體位的學(xué)習(xí)更是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)攝影擺放原理的學(xué)習(xí)依靠書(shū)本知識(shí)以及查閱圖譜，但均為骨關(guān)節(jié)的二維體現(xiàn)，學(xué)生不易掌握骨關(guān)節(jié)的構(gòu)造，且課本內(nèi)容繁多、復(fù)雜，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生無(wú)法建立三維抽象思維[2]。常規(guī)的解剖圖譜和解剖錄像呈現(xiàn)出來(lái)的二維平面效果對(duì)醫(yī)學(xué)生來(lái)說(shuō)難以理解其空間關(guān)系，而人體解剖標(biāo)本因?yàn)椴灰妆４?、易損壞且數(shù)量有限，普通醫(yī)學(xué)生和基層醫(yī)生不能便捷接觸到，無(wú)法滿(mǎn)足其日常學(xué)習(xí)和工作需求。因此，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在特殊體位學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)特殊攝影體位位置下骨關(guān)節(jié)的解剖空間位置關(guān)系難以理解，不能充分掌握攝影體位擺放的原理，學(xué)習(xí)效果一般。講授特殊體位的教師也反映傳統(tǒng)的書(shū)本和PPT教學(xué)因?yàn)槿狈臻g立體感，不僅教授起來(lái)非常吃力，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也不是很好。因此如何使抽象的各個(gè)特殊體位骨關(guān)節(jié)立體化成為亟須解決的問(wèn)題。

CT 成像突出的優(yōu)點(diǎn)是后處理功能強(qiáng)大、具有一定的定量分析功能。因此本研究采用CT 作為特殊體位目標(biāo)骨關(guān)節(jié)容積數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以獲得高分辨率的圖像和三維骨關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型組。CT 圖像后處理技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)軟件將經(jīng)減薄處理后的原始掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理，以顯示各平面二維圖像或三維圖像的技術(shù)。圖像后處理是利用計(jì)算機(jī)內(nèi)的各種后處理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，處理的種類(lèi)隨成像系統(tǒng)選用軟件的不同而不同。當(dāng)前臨床所使用的多層螺旋CT 圖像后處理技術(shù)主要有多平面重組、容積再現(xiàn)和表面陰影遮蓋法三種[3]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，近些年來(lái)，教師在進(jìn)行各學(xué)科教學(xué)時(shí)，大膽嘗試了傳統(tǒng)教學(xué)方式聯(lián)合多媒體技術(shù)。張年鳳等人在人體解剖學(xué)教學(xué)的研究中，在高職助產(chǎn)專(zhuān)業(yè)人體解剖學(xué)教學(xué)中運(yùn)用3D Body 解剖軟件，發(fā)現(xiàn)這種教學(xué)方式能夠有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，幫助學(xué)生理解人體解剖學(xué)，提高人體解剖學(xué)教學(xué)質(zhì)量[4]。在冼文嬌的研究中，同樣使用了維薩里3D 解剖軟件進(jìn)行教學(xué)，得出的結(jié)果是維薩里3D解剖軟件的運(yùn)用，能夠顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)，具有推廣價(jià)值。孫寶平等人在骨外科教學(xué)的研究中，運(yùn)用了Visible body 三維解剖軟件輔助骨外科臨床教學(xué)，結(jié)論顯示在復(fù)雜骨折臨床教學(xué)中，采用Visible body 三維解剖軟件的教學(xué)模式比傳統(tǒng)教學(xué)模式教學(xué)效果更好，學(xué)生更容易理解。這與本次的研究有異曲同工之妙。

本次研究利用CT 三維后處理技術(shù)來(lái)輔助構(gòu)建X 線(xiàn)攝影特殊體位下目標(biāo)骨關(guān)節(jié)的三維電子影像庫(kù)，不僅完美結(jié)合了后處理技術(shù)的空間立體感，而且將其導(dǎo)入軟件中后還可以在手機(jī)端和電腦端隨時(shí)隨地查看?，F(xiàn)今電子產(chǎn)品已然成為學(xué)生學(xué)習(xí)和生活的主導(dǎo)，他們也樂(lè)意從電子產(chǎn)品中學(xué)習(xí)知識(shí)，這為三維人體解剖軟件的發(fā)展提供了條件。在軟件中，學(xué)生能夠全程獨(dú)立學(xué)習(xí)，軟件可以在多個(gè)平面展示每個(gè)特殊體位下各個(gè)骨關(guān)節(jié)的空間三維關(guān)系。軟件還注明每塊骨與骨關(guān)節(jié)、連接處、肌腱和覆蓋肌肉的詳細(xì)信息，也可以動(dòng)畫(huà)展示相應(yīng)特殊體位的擺放與攝影過(guò)程。軟件中的電子影像庫(kù)同時(shí)配備正常人體解剖學(xué)體位下的三維圖像與各關(guān)節(jié)三維圖像，在查閱特殊體位下的目標(biāo)骨關(guān)節(jié)空間結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)與常規(guī)解剖學(xué)體位下的圖像進(jìn)行對(duì)比，不僅能幫助學(xué)生理解特殊體位擺放的原理，也能加深對(duì)常規(guī)解剖學(xué)體位與特殊體位下骨關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。

在形成特殊體位目標(biāo)骨關(guān)節(jié)X線(xiàn)影像庫(kù)，并將影像庫(kù)導(dǎo)入“X 線(xiàn)攝影特殊體位骨關(guān)節(jié)模型系統(tǒng)”軟件中后，對(duì)本校2020 級(jí)正在學(xué)習(xí)“醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)學(xué)”的同學(xué)使用了三維模型組的軟件輔助學(xué)習(xí)特殊體位的擺放原理與目標(biāo)骨關(guān)節(jié)的空間結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)時(shí)間為三周，三周后通過(guò)微信小程序“問(wèn)卷星”發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷。三周后回收調(diào)查問(wèn)卷，一共收到77 份有效調(diào)查問(wèn)卷。調(diào)查結(jié)果顯示，有98.7%的學(xué)生認(rèn)為本研究設(shè)計(jì)的解剖軟件對(duì)于學(xué)習(xí)特殊體位很重要。在“您認(rèn)為教師用該軟件上課是否比書(shū)本內(nèi)容更容易理解特殊體位”的問(wèn)題中，有73.52%的學(xué)生認(rèn)為更容易理解。與此同時(shí)，有84.42%的學(xué)生表示對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)方式更喜歡用該軟件學(xué)習(xí)，有93.5%的學(xué)生認(rèn)為本研究輔助上課能激發(fā)自身對(duì)特殊體位的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)有98.7%的學(xué)生表示希望教師在今后的課堂學(xué)習(xí)中能使用該軟件輔助學(xué)習(xí)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果可以認(rèn)為，本研究有利于醫(yī)學(xué)生對(duì)于特殊體位擺放原理的學(xué)習(xí)，同時(shí)也能輔助高校教師對(duì)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)。

綜上所述，建立X線(xiàn)特殊體位影像庫(kù)對(duì)于輔助醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教學(xué)、醫(yī)務(wù)人員實(shí)踐都很重要?；贑T 圖像后處理技術(shù)構(gòu)建X線(xiàn)攝影特殊體位目標(biāo)骨關(guān)節(jié)三維模型，能更清楚地展示特殊體位下各組織結(jié)構(gòu)的大小、形態(tài)與位置關(guān)系，將特殊體位下的X線(xiàn)攝影目標(biāo)骨關(guān)節(jié)更直觀更便捷地展示出來(lái)。但軟件中的三維模型組只能展示最初導(dǎo)入的設(shè)計(jì)好的圖像，不能針對(duì)處于不同疾病中的骨關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)展示其特點(diǎn)，而且沒(méi)有直觀性，實(shí)體感缺失。在學(xué)習(xí)或工作中，只有不斷思考和嘗試，對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)體制進(jìn)行探索和改革，才能克服教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的難題，更好地培養(yǎng)出新時(shí)代的醫(yī)學(xué)人才。