基于數(shù)字孿生技術(shù)的頸椎病預(yù)防可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；影像分割；醫(yī)療系統(tǒng)；頸椎；三維可視化

0 引言

隨著全球數(shù)字化浪潮的推動(dòng)，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，該技術(shù)通過(guò)數(shù)學(xué)建模和仿真方法，將現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體或系統(tǒng)進(jìn)行虛擬復(fù)制，其原理是基于數(shù)據(jù)采集、建模、仿真和分析等手段將物理實(shí)體與數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界的交互融合[1]。同時(shí)，頸椎病是頸椎椎間盤(pán)組織退化性改變及其周?chē)M織結(jié)構(gòu)（脊髓、神經(jīng)根、椎動(dòng)脈、交感神經(jīng)等）出現(xiàn)相應(yīng)臨床表現(xiàn)的一種疾病，是當(dāng)前最常見(jiàn)的骨科疾病之一，患者多為中老年群體[2]。然而，近年來(lái)高科技電子產(chǎn)品的普及和生活學(xué)習(xí)壓力的增加，導(dǎo)致青少年久坐時(shí)間顯著延長(zhǎng)，與此同時(shí)，不良的睡眠體位和各種先天或發(fā)育性因素也損害了青少年的頸椎，致使頸椎病的發(fā)病年齡趨于年輕化，越來(lái)越多的青年患有頸椎病。因此，預(yù)防頸椎病的關(guān)鍵在于從源頭降低其發(fā)病概率。基于此，本文依據(jù)下文提及的數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)了一款頸椎病預(yù)防可視化系統(tǒng)，旨在能有效緩解日趨嚴(yán)重的青年頸椎病問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

醫(yī)生與患者之間由于醫(yī)學(xué)知識(shí)差距較大，溝通存在障礙。為消除這一障礙，本文開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)，通過(guò)專業(yè)化知識(shí)庫(kù)、3D模型和動(dòng)態(tài)視頻等多種形式，直觀演示病癥形成過(guò)程、治療手段以及潛在風(fēng)險(xiǎn)等醫(yī)患溝通關(guān)心的問(wèn)題，輔助醫(yī)生更好地向患者講解病情，幫助患者更好地理解醫(yī)生所表達(dá)的內(nèi)容。如圖1所示為基于數(shù)字孿生技術(shù)的頸椎病預(yù)防可視化系統(tǒng)的技術(shù)路線圖。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2.1 病種知識(shí)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)

病種知識(shí)庫(kù)模塊中包括不同科室和不同病種的疾病介紹、治療方案、風(fēng)險(xiǎn)危害、康復(fù)建議、用藥指導(dǎo)和知識(shí)圖譜等板塊。其增刪改查的方法包括通過(guò)內(nèi)部和外部來(lái)源收集知識(shí)，將知識(shí)進(jìn)行整理和分類(lèi)，采用分類(lèi)體系、標(biāo)簽和關(guān)鍵詞等方式進(jìn)行知識(shí)的歸類(lèi)和組織；將知識(shí)存入知識(shí)庫(kù)，并定期更新和維護(hù)知識(shí)庫(kù)。醫(yī)生可以查看、增添、刪除、修改知識(shí)庫(kù)的病種信息，以便于分析各種病癥并對(duì)癥治療。通過(guò)知識(shí)庫(kù)模塊，可實(shí)現(xiàn)病患資料的整合，提供全面豐富的病例參考，便于醫(yī)生做出快速準(zhǔn)確的診斷。該知識(shí)庫(kù)模塊具有自我完善功能，隨著經(jīng)驗(yàn)積累，其提供的參考價(jià)值將會(huì)越來(lái)越大。

1.2.2 病種視頻模塊設(shè)計(jì)

首先，用戶進(jìn)入系統(tǒng)主界面后，將看到一個(gè)名為“病種知識(shí)庫(kù)”的選項(xiàng)。用戶點(diǎn)擊該選項(xiàng)后，系統(tǒng)彈出輸入框，要求輸入疾病名稱。用戶在輸入框中輸入疾病名稱后，點(diǎn)擊確定按鈕。系統(tǒng)接收到輸入后，在后臺(tái)病種基礎(chǔ)庫(kù)中進(jìn)行查詢。查詢結(jié)果包括疾病的介紹、治療方案、風(fēng)險(xiǎn)危害、康復(fù)建議等相關(guān)內(nèi)容。這些信息將被系統(tǒng)展示給用戶。用戶還可以點(diǎn)擊“動(dòng)畫(huà)演示”選項(xiàng)查看該疾病的動(dòng)畫(huà)演示。點(diǎn)擊后，系統(tǒng)將播放與該疾病相關(guān)的視頻。醫(yī)生是這個(gè)系統(tǒng)的主要使用者，他們可以通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)查詢到疾病相關(guān)的信息。醫(yī)生需要在系統(tǒng)中輸入他們想要查詢的疾病名稱，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)醫(yī)生輸入的疾病名稱，從后臺(tái)的病種基礎(chǔ)庫(kù)中查詢到疾病相關(guān)的信息，并將這些信息展示給醫(yī)生。

1.2.3 3D 工具臺(tái)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)支持按病種查看動(dòng)態(tài)視頻和3D演示模型。用戶可以對(duì)模型進(jìn)行放大、縮小操作，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)或合并展示，并計(jì)算模型的長(zhǎng)、寬、高、體積等數(shù)據(jù)，同時(shí)提供畫(huà)筆工具進(jìn)行標(biāo)記。3D工作臺(tái)支持醫(yī)生全面、形象地展示醫(yī)療內(nèi)容，有助于患者理解并提高對(duì)自身病癥的認(rèn)識(shí)。

2 數(shù)字孿生體的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域已占據(jù)重要地位，尤其與醫(yī)學(xué)圖像建模的結(jié)合發(fā)展迅速。醫(yī)學(xué)數(shù)字孿生將實(shí)際患者的特征和行為數(shù)字化[3]，并與真實(shí)世界同步更新，為醫(yī)學(xué)影像分析、疾病診斷和治療規(guī)劃[4]提供重要支持，這正是預(yù)防頸椎病所需的技術(shù)。以下將介紹頸椎數(shù)字孿生體模型的構(gòu)建過(guò)程。

基于數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)結(jié)合病種知識(shí)庫(kù)中數(shù)據(jù)所表達(dá)的癥狀，將病種及其相關(guān)情況在模型中進(jìn)行展示，可以更直觀地幫助患者理解并對(duì)自身病癥有更加充分的認(rèn)識(shí)。

在構(gòu)建過(guò)程中，首先收集真實(shí)臨床病例的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，包括圖像數(shù)據(jù)、患者病史和臨床報(bào)告。這些數(shù)據(jù)涵蓋影像學(xué)檢查結(jié)果（如MRI、CT掃描）、組織樣本分析以及關(guān)于疾病的詳細(xì)信息。隨后，基于收集的數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)知識(shí)，運(yùn)用三維建模軟件及相關(guān)技術(shù)來(lái)創(chuàng)建疾病模型。

根據(jù)田競(jìng)團(tuán)隊(duì)的研究，數(shù)字孿生技術(shù)大致分為以下幾類(lèi)：可視化人體模型、物理人體模型、軍事虛擬人、臨床虛擬患者[5]。這些分類(lèi)雖基于其前驅(qū)性技術(shù)，但都殊途同歸，均期望在可視化人體模型基礎(chǔ)上形成3D實(shí)體幾何模型，在保障幾何精度的同時(shí)，兼顧物理模型的泛化能力和數(shù)據(jù)模型的快速求解，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頸椎疾病的個(gè)性化預(yù)防，本研究采用頸椎CT影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建了三維虛擬模型。該模型旨在對(duì)患者的頸椎進(jìn)行個(gè)性化的精確數(shù)字復(fù)制，以期達(dá)到疾病預(yù)防的目的。

2.1 采用U-Net++技術(shù)分割圖像

基于臨床數(shù)字CT影像，采用U-Net++模型對(duì)影像進(jìn)行分割。首先準(zhǔn)備大量標(biāo)注好的頸椎CT影像數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，并將其輸入U(xiǎn)-Net++網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)反向傳播算法調(diào)整參數(shù)，逐步學(xué)習(xí)頸椎和背景特征[6]。訓(xùn)練完成后，將新的未標(biāo)注頸椎CT影像測(cè)試集輸入已訓(xùn)練好的U-Net++網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)根據(jù)所學(xué)習(xí)到的特征對(duì)圖像進(jìn)行分割，從而區(qū)分頸椎和背景區(qū)域[7]。

由表1所示，在Dice系數(shù)、精確度和召回率性能指標(biāo)上，U-Net++表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，顯示出多尺度特征融合模塊的優(yōu)越性。在平均絕對(duì)誤差和dorff距離上，U-Net++也展現(xiàn)出較好的性能，9表5%明H其au在s?細(xì)節(jié)處理和邊界定位方面具有較高的準(zhǔn)確性。U- Net++引入了多尺度特征融合模塊[8]，增強(qiáng)了跳躍連接路徑和上采樣卷積塊，以提高分割性能。在U-Net++ 中，編碼器由卷積層和池化層組成，用于提取和壓縮圖像特征；解碼器則逐步恢復(fù)這些特征，并最終輸出分割結(jié)果。多尺度特征融合模塊是U-Net++的關(guān)鍵，它融合不同層級(jí)的特征圖，從而提高分割性能。

由于U-Net++網(wǎng)絡(luò)在多尺度特征融合方面具有優(yōu)勢(shì)，其能夠更好地捕捉頸椎CT影像的上下文信息，提高分割的準(zhǔn)確性和魯棒性。

2.2 利用VTK 體繪制技術(shù)構(gòu)建頸椎虛擬模型

首先讀取醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為vtkImage? Data格式，利用vtkMarchingCubes算法提取等值面生成表面網(wǎng)格，使用vtkSmoothPolyDataFilter進(jìn)行平滑處理，創(chuàng)建vtkRenderer、vtkRenderWindow和vtkRender? WindowInteractor對(duì)象，實(shí)現(xiàn)圖像顯示和用戶交互，最后調(diào)用vtkRenderWindow 的Render（）方法進(jìn)行渲染。在VTK的體繪制（Volume Rendering） 中，數(shù)據(jù)插值在光線傳遞（Ray Casting） 過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[9]。

體繪制采用DICOM數(shù)據(jù)集，通過(guò)灰度或顏色映射，將不同密度或強(qiáng)度的組織分配不同顏色或透明度，從而保留三維模型細(xì)節(jié)信息并清晰展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

由于數(shù)據(jù)集來(lái)源于不同患者，采用多模態(tài)數(shù)據(jù)融合方法，集中整合CT圖像數(shù)據(jù)及患者生理數(shù)據(jù)，以全面了解頸椎的結(jié)構(gòu)和組織信息。CT圖像能夠清晰呈現(xiàn)頸椎的骨骼結(jié)構(gòu)，包括椎體、椎弓等詳細(xì)信息。通過(guò)進(jìn)一步進(jìn)行生理數(shù)據(jù)與頸椎結(jié)構(gòu)特征的關(guān)聯(lián)分析，可揭示患者生理狀況與頸椎形態(tài)之間的潛在關(guān)系。這種多模態(tài)數(shù)據(jù)融合的綜合方法能夠更好地反映真實(shí)患者的頸椎部位解剖和生理狀態(tài)，為數(shù)字化映射和計(jì)算模型的精確性提供了更為全面的基礎(chǔ)。同時(shí)，根據(jù)頸椎涉及的生物力學(xué)材料屬性對(duì)模型進(jìn)行修改。圖4為采用VTK體繪制技術(shù)進(jìn)行的初步建模模型。

2.3 利用Mimics 軟件進(jìn)行模型細(xì)節(jié)優(yōu)化

Mimics軟件是一款用于處理醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)和進(jìn)行三維重建的先進(jìn)軟件，其廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)以及工程領(lǐng)域，特別是在創(chuàng)建精確的三維模型方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。使用Mimics軟件重構(gòu)頸椎3D模型的過(guò)程如下：首先需要導(dǎo)入CT或MRI掃描獲得的頸椎影像數(shù)據(jù)（通常為DICOM格式）；其次對(duì)導(dǎo)入的影像進(jìn)行必要的預(yù)處理，如調(diào)整對(duì)比度、亮度等，以便于更好地識(shí)別頸椎結(jié)構(gòu)；預(yù)處理完成后，通過(guò)閾值工具、區(qū)域增長(zhǎng)或手動(dòng)分割工具來(lái)分割頸椎的感興趣區(qū)域，這可能包括椎體、椎間盤(pán)和其他結(jié)構(gòu)；隨后創(chuàng)建蒙版，在分割過(guò)程中，將生成一個(gè)或多個(gè)代表所分割結(jié)構(gòu)的蒙版，并對(duì)其進(jìn)行編輯和優(yōu)化，以確保準(zhǔn)確覆蓋所需結(jié)構(gòu)。當(dāng)蒙版的準(zhǔn)確性達(dá)到要求后，即可使用“Calcu? late 3D”功能生成頸椎的三維模型。

2.4 結(jié)合3D 可視化系統(tǒng)

將數(shù)字孿生體頸椎模型通過(guò)Unity導(dǎo)入系統(tǒng)中，利用基于數(shù)字孿生技術(shù)的3D演示系統(tǒng)，醫(yī)生可以將預(yù)防頸椎病的動(dòng)作、技巧和建議以視覺(jué)形式傳達(dá)給患者。患者可通過(guò)遠(yuǎn)程視頻會(huì)議或?qū)ｉT(mén)開(kāi)發(fā)的預(yù)防應(yīng)用程序觀看這些模型演示，并根據(jù)指導(dǎo)進(jìn)行預(yù)防訓(xùn)練。這種方法使醫(yī)生能夠更準(zhǔn)確地指導(dǎo)患者的預(yù)防過(guò)程，患者也能夠更清楚地理解和執(zhí)行預(yù)防方案。

3D演示系統(tǒng)在醫(yī)患溝通中發(fā)揮著橋梁作用。醫(yī)生可利用3D頸椎模型向患者直觀地展示其頸椎狀況，包括病變的位置、大小和形態(tài)。這種可視化的溝通方式有助于患者更好地理解自身病情，減少對(duì)疾病和治療的恐懼與誤解，同時(shí)也能避免患者因?qū)ψ陨聿∏檎J(rèn)識(shí)不足而導(dǎo)致關(guān)注度不夠，進(jìn)而引發(fā)病情惡化的情況。3D演示系統(tǒng)有助于建立互信的醫(yī)患關(guān)系，提高患者滿意度。

3 系統(tǒng)效果

基于數(shù)字孿生技術(shù)的頸椎病預(yù)防可視化系統(tǒng)結(jié)合了目前較為成熟的3D建模技術(shù)，以3D演示系統(tǒng)為平臺(tái)賦能，旨在擴(kuò)大用戶使用群體，使盡可能多的人了解頸椎病發(fā)病機(jī)理及風(fēng)險(xiǎn)危害，達(dá)到有效預(yù)防頸椎病的目的。同時(shí)實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)診療服務(wù)的場(chǎng)景化、數(shù)字化，構(gòu)建具有普遍意義的醫(yī)療應(yīng)用平臺(tái)，從患者和醫(yī)生兩個(gè)不同視角出發(fā)，實(shí)現(xiàn)頸椎病的有效預(yù)防。

系統(tǒng)具備病種知識(shí)庫(kù)和3D視頻講解模塊，旨在為患者提供新穎、翔實(shí)、直觀的頸椎病相關(guān)醫(yī)療信息，幫助患者更好地了解自身頸椎狀況，從而更加積極有效地參與疾病預(yù)防過(guò)程，提高患者滿意度。此外，隨著系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化，還可制定更加精準(zhǔn)的個(gè)性化預(yù)防方案，使疾病預(yù)防效果達(dá)到前所未有的水平。

系統(tǒng)具備3D工具臺(tái)（左側(cè)為多種交互工具，右側(cè)為數(shù)字孿生模型），旨在直觀清晰地展示患者頸椎的病變情況，使醫(yī)生能夠有效跟蹤患者病情，及時(shí)分析情況并采取相應(yīng)預(yù)防措施。與此同時(shí)，醫(yī)生可使用測(cè)量、旋轉(zhuǎn)、放大縮小、組件拼接或隱藏等多種交互工具對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)記處理，這極大地方便了醫(yī)生的操作，使醫(yī)生在整個(gè)疾病預(yù)防過(guò)程中得心應(yīng)手。

系統(tǒng)旨在向患者普及頸椎病相關(guān)知識(shí)、輔助醫(yī)生診斷決策的同時(shí)，極大地降低醫(yī)療成本、提高醫(yī)療效率、改善醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量，使預(yù)防頸椎病這一宗旨得以順利推行實(shí)施。此外，該系統(tǒng)融合多種功能，滿足多類(lèi)群體需求，基于數(shù)字孿生技術(shù)將患者頸椎數(shù)字化、可視化，為頸椎病的預(yù)防提供了技術(shù)上的依據(jù)和支持，使整個(gè)預(yù)防過(guò)程得以有效推進(jìn)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)結(jié)合多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頸椎數(shù)字孿生體的構(gòu)建與可視化。首先采用U-Net++影像分割技術(shù)對(duì)頸椎CT影像進(jìn)行分割，再使用VTK體繪制技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行初步的建模，然后使用Mimics軟件對(duì)模型進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化處理，最后將模型導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)行模型的可視化以及交互。系統(tǒng)的可視化功能及其他輔助功能，不僅幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地診斷頸椎病，還為患者提供直觀、深入的病變認(rèn)識(shí)，有效預(yù)防和減輕頸椎病影響?；跀?shù)字孿生技術(shù)的頸椎病預(yù)防可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，旨在為廣大患者提供更加直觀、深入的頸椎病變認(rèn)識(shí)，從而幫助他們有效預(yù)防和減輕頸椎病的影響。同時(shí)，期待這一技術(shù)在未來(lái)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮更大作用，為人類(lèi)的健康事業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。