3D可视化解剖学系统在医学中作用初探

吴吉文

(福建医科大学基础医学院人体解剖学与组织学胚胎学系，福建福州350122)

图像三维(three dimensiona1，3D)可视化技术是实现将人体横断面数据信息在计算机里整合，重建人体的三维立体结构图像,为开展人体相关研究提供形象而真实的模型的技术[1]。此技术是科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域，在医学领域有着巨大影响。3D可视化技术在医疗教学、医学培训以及临床应用，有利于加快教育信息化进程，提高现代化信息技术在教育系统中的应用水平，弥补教学资源匮乏以及临床实践环境严峻等不足，为一线的教师提供一条高效教学的捷径，为医学生提供生动灵活的学习方式，减轻学习的难度。可视化数字人体技术的发展为医学教学改革带来新的契机。基于可视化数字人体平台，可在医学教学、临床应用、规范化培训等进行教学改革。改革的基本理念是着重提高学生的整体素质，把教育从传授知识为主向全面提高学生能力、素质进行转变。

一、医学教学、临床应用和规范化培训的现状分析

解剖学是重要的医学基础课程之一，传统教学往往以单纯传授知识为主体形式，忽视了对学生创新能力的培养，这显然与当前的教育改革要求不相适应，不利于培养高素质人才。人体解剖学专业名词多、内容繁杂，学生难以理解和掌握，常常影响教学效果。在影像学诊断上，医生需要通过二维图像去构想出病灶处组织的三维空间结构，因此对医生的专业能力、临床经验、空间想象能力等提出了较高的要求，从而限制了医学图像在诊断过程中作用的发挥。在规范化培训中，学生与教学医生之间的知识传递往往受制于现有的二维平面教学方式，面临着从理论到实践的转化难题。

(一)医学教学

传统的医学教学模式和教学手段多以教学图谱、教学模型、实验动物、尸体解剖、现场观摩等形式完成，这些方式有其自身的优点，但一定程度上均存在不足[2]。首先，传统的讲授式教学能在有限的教学时间内系统地传授知识，但采用的满堂灌的教学方式只注意知识的堆积，却忽视了对知识的理解和深入思考，压抑了学生的学习兴趣和热情，难以培养学生自我分析解决问题及科学研究的能力。其次，随着医学高等院校扩招，学生人数大幅度增加，实验教学经费有限，致使教学中有的标本长期处于使用饱和状态，且教学标本质量参差不齐，特别是由于尸体解剖受尸源限制无法普及，从而大大影响了解剖学实验教学的质量。

(二)临床应用

目前的医学成像设备大都只提供二维图像，医生需要通过二维图像去构想出病灶处组织的三维空间结构，对医生的专业能力、临床经验、空间想象能力等提出了较高的要求，从而限制了医学图像在诊断过程中作用的发挥。

(三)规范化培训

现有的教学模式还面临着从理论到实践转化的难题。学生与教学医生之间的知识传递受制于二维平面教学方式，优质的临床医生所拥有的丰富临床经验通过书写式、课件式教学，难以与学生的理论知识建立良好的连接。许多临床操作需要病人的配合，在当前的医患关系之下，学生难以长时间、多次从病人身上进行实践学习。

二、3D技术在医学教学、临床和规范化培训中的应用

基于传统教学存在的问题，若将3D技术应用于人体解剖学课程教学，则能使晦涩抽象的器官结构清晰地呈现眼前，有助于学生更好地理解与掌握知识，同时增加学习乐趣，调动学生的学习积极性，充分发挥教师在教学过程中的主导作用及体现学生的主体作用。3D可视化可以对医学图像进行三维重建和可视化处理，可以反复任意角度去观察，能够帮助年轻医生快速建立起临床操作需要的立体感和动态解剖需要的整体感，这是二维平面无法达到的效果。比如脑血管在颅底的走行异常复杂，临床医生的教学效果往往取决于学生的空间想象能力，这必然影响到教学的效果和临床的诊断及治疗。而3D可视化技术把理论的解剖知识与临床影像结合起来，能有效提高临床学生识别解剖结构的能力，从而快速全面提升临床诊疗水平。此外，利用3D技术可以不受标本资源的限制，随时随地进行解剖学教学和临床培训，方便教师教学与学生学习。

(一)医学教学

3D可视化对医学传统的教学模式、教学手段、教学方法都产生了巨大的冲击。利用3D可视化解剖学系统，教师能在课堂上进行虚拟解剖操作，模拟解剖过程，描述某种器官结构组成、空间位置及毗邻关系,使晦涩抽象的器官结构呈现眼前，有助于学生更好地理解与掌握知识，增加学习乐趣,很好地调动学生的学习积极性[3]；学生可以根据自己的需要进行操作，观察器官在人体的位置，了解其中具体结构的相对位置，并利用计算机操作，对虚拟人体进行自主控制、旋转体位、局部拆分，甚至按照自己的想法对虚拟人体进行任意操作、模拟临床手术。课余时间，学生还可以利用此项技术随时随地学习,打破了学习解剖知识的空间和时间上的双重局限性。目前，我校解剖楼各实验室和走廊已安置大型高清大屏，通过进入3D解剖学系统平台，学生可以多角度、清晰地观察人体三维结构，可手动分离、组合各部位并标注，立体地剖析人体的特征结构，极大提高学生学习自主性。比如，在解脑血管解剖教学中，笔者采用3D可视化颅底血管结合传统模式进行授课，使学生直接全方位、多视角观察颅底的骨性通道与血管之间的走行关系(图1)，明确其三维空间结构上的关系，弥补了传统教学方式的不足。再如，在教授颈内动脉行程和分部中，由于颈内动脉岩段在颞骨岩部的颈动脉管内走行，此段的特点是全程大部行于骨性管道内，无法直视，学生往往无法理解其行程，而3D可视化则可清晰显示血管的走向。与传统的教学模式相比较，3D教学提高了教学效率，缩短了学习过程，提升了教学效果。教学过程中，学生对课程感兴趣人数明显多于传统教学法。

图1 3D可视化的颅底血管

(二)临床教学

现代医疗影像技术的不断发展彻底改变了传统医学的诊断和治疗方式，具有划时代的意义。各种不同的成像设备提供了多种模态的医学图像，如CT、MRI、超声、核医学图像(PET、SPECT)等，这些信息为医生提供了关于病变组织或器官的解剖、功能，充分利用这些信息，可以为临床教学、诊断、治疗以及疗效评估提供更加全面的参考。例如，肝右动脉变异是肝胆外科经常遇到的问题，其起源不定，若术前未充分地判断和规划，术中容易损伤继而导致肝脓肿、胆道缺血等并发症。通过医学图像 3 D可视化技术，可清晰了解肝右动脉的变异及走行情况的图像数据，使手术病灶明确、手术方式更加精确。随着影像学的进步，可视化3D影像在外科术前评估、手术方案的制定中扮演着越来越重要的角色[4]。3D成像技术还可展示小鼠脂肪细胞内部的特征，成像结果表明，小鼠的内脏脂肪更加模糊，神经元缠绕的密度更低，而皮下脂肪的组织则相对更加有序，神经元的缠结更加丰富。这一发现为代谢性疾病以及肥胖症患者的靶向治疗提供了新的研究思路[5]。3D生物打印技术还可将需要的细胞放置在相应位置，细胞外基质分布在细胞周围，支持细胞的多种功能，为将来植入器官做铺垫[6]。目前，3D打印应已用于体外肿瘤组织模型的打印，用于研究肿瘤的渗透、增长以及转移等[7]。

(三)规范化培训中应用

虚拟手术仿真系统是虚拟现实技术在医学领域的一个典型应用。虚拟手术是由医学图像数据出发，应用计算机图形学重构出虚拟人体软组织模型，模拟出虚拟的医学环境，并利用触觉交互设备与之进行交互的手术系统，为医生提供一个虚拟的3D环境以及可交互操作平台，逼真地模拟临床手术的全过程。与传统的手术教学相比，虚拟手术具有无损伤性、可重复性和可指定性等优点。在手术规划模型中已实现心脏、肝脏、多发性动脉瘤等模型的3D打印，使用该模型可以进行术前路径规划模拟。在手术导板已实现骨科、牙科手术导板的定制，辅助医生沿着导板确定的手术路径或者植入方位，按照事先规划好的方案实施精准手术。骨科支具已实现术后康复、矫正支具的打印。骨科患者的个体化置入以3D可视化技术研发骨科假体和内置物，参照患者的实际情况和特殊需求改进内置物与受区匹配度，以便符合解剖和生物力学的需求，满足不同性别、人种、职业、运动习惯的个体需要[8-9]。近日，我校附属协和医院神经外科团队借用了3D打印、增强现实(augment reality，AR)、混合现实(mix reality,MR)技术，在生命支柱——脊柱上精准动刀。借助3D打印技术，按照1∶1等比例“克隆”了患者病变的腰椎部模型(图2)。利用CT、核磁共振多角度拍摄的片子，计算机还原出一个虚拟却又无比逼真的患者腰椎模型。医生可以在逼真的世界里模拟手术全过程。与过往手术不同的是，这次手术的直播现场还有来自全国21个省份的30多名专科医生进行了现场的观摩学习。国内也有团队应用MR技术实现乳腺肿瘤精准切除手术[10]。

图2 3D打印的脊柱腰椎部模型

在医学规范化培训中引入3D可视化技术，模拟还原临床教学场景，允许更多学生反复多次并且有针对性地对临床技能进行学习。综合运用3D可视化，将有效地弥补现有的教学体系的缺陷，增强学生的操控性，继而提高教学效果,并能通过逼真的虚拟实验环境，减少培训成本，提升培训的教学效果。

三、3D在医学上运用的展望

目前，人们正致力于3D可视化技术的探索，为未来实现手术导航做基础研究。在外科手术方面，3D可视化可以清晰地将血管、神经、病变部位以具有层次感的方式表现出来。近几年，3D可视化技术已在肝胆外科手术、白内障超声乳化术、腹腔镜手术以及肿瘤外科等方面得到了较好的应用，其中主要应用在肝、胆、胰和脑部肿瘤手术[11-12]。利用通讯技术、计算机及网络环境，医疗机构之间可以实现CT、MRI、超声等图像数据的远程传送和数据共享，借助3D可视化技术的运用，完成异地、交互式的指导、检查、诊断、治疗等医疗会诊的内容，最终达到远程治疗、远程手术、远程医学培训等目的。我校在基础医学院、口腔医学院、护理学院、临床教学技能中心等已成立了虚拟仿真实验中心，极大提高学生操作能力，帮助学生获得对抽象知识的感性认识。3D可视化互动教学系统集合了三维可视化和智能互动，实现边学边模拟实践的高效教学，成为教学改革中一个新亮点。然而，3D可视化技术虽然取得了长足的发展，但在实际重建过程中还存在着许多客观问题，例如图像获取过程中的噪声、数据存储量大、绘制速度慢等。在3D生物打印领域，3D打印最大的挑战是在制造生物构架时缺乏机械强度和整体性。而基于三维数字人体模型构建虚拟针刺力反馈仿真系统，还不能满足针灸教学和指导训练的要求，就虚拟行针手法模拟而言，力反馈仪在整个力反馈系统中有一定的局限性[13]。

综上所述，以3D可视化技术构建在线的3D人体器官模型应用于解剖学教学,不仅可以打破学生学习解剖知识的空间和时间上的双重局限性，还可以提供教师多样化的解剖学教学模式，这无疑是学习与教育上的大变革。在临床方面，它不仅可以用于大量高难度的外科手术，还可以打破空间上的局限性，如远程医疗的出现。相信在不远的将来，解剖学教学领域会大量应用3D可视化技术，这将积极地推进我国医学教育事业和医药卫生事业的发展，为人类健康以及疾病治疗方面谋福祉。