应用3D+人体可视化软件的方法与经验

丁思萱，郝 清，刘怀军，朱青峰

(1.河北医科大学医学影像学院2016级，河北 石家庄 050000；2.河北医科大学第二医院影像科，河北 石家庄 050017；3.河北医科大学影像学院智能医学影像实验室，河北 石家庄 050017)

3D+人体可视化软件是计算机断层扫描(Computer Tomography,CT)三维重建技术的再发展，基于CT图像数据，利用计算机图像处理技术将人体器官、血管、病变的形态结构、空间分布通过面绘制技术进行三维重建。该软件便于了解人体结构，在深入学习解剖学知识的基础上更宏观地理解解剖断面结构和三维立体结构，提高对重建过程中所接触疑难病例的解剖学结构的理解程度，搭建起由基础知识向临床应用过渡的桥梁。对于临床医生和教师，此软件具有操作方便，简单易学等优势。然而对于知识储备较少、尚未接触过临床的医学生或不曾学习过相关软件的人员，想要熟练掌握此软件的使用方法，仍旧是一个巨大的挑战。笔者提出了快速学习该软件的方法并进行验证，对重建过程中部分疑难问题的解决经验进行论述，旨在使初学者高效利用此软件，突破三维重建过程中的瓶颈。

1 资 料 与 方 法

1.13D+人体可视化系统软件介绍 3D+人体可视化系统应用产品是深圳市旭东数字医学影像技术有限公司于2012年在国内率先研发的为中国外科医生实现精准外科手术提供的智慧工具，近年来，该软件不断更新，当前使用的版本为IPS2.0.4.5。目前，3D+人体可视化系统已在上海第二军医大学附属东方肝胆医院、南方医科大学珠江医院、中国医科大学附属盛京医院、浙江大学邵逸夫医院、香港中文大学等国内外多家大型三甲医院使用。通过数千例临床验证，3D+人体可视化软件得到临床专家们的一致认可。

1.2提出方法 首先广泛了解一些重建知识，对学习软件产生一定的兴趣，认识界面与工具，导入数据后学习阅片知识并确定重建目标应选择的期相，准备重建。然后调节窗宽窗位，突出显示重建目标，根据噪声大小选择是否降噪，进行三面定位，选中重建目标，选择相应的重建工具，根据不同类型的重建目标选择不同的方法进行初步重建，如重建动脉血管时可选择阈值提取的方法，重建脏器可以选择人工智能算法或种子点点取的方法，重建下腔静脉或者占位时可以选择手工重建，隔层画出感兴趣区，重建层数较少的部位如结石时可以使用新建分割，重建对比剂充盈的膀胱或肾盏肾盂及输尿管时，可以选择体绘制重建的方法，直接提取出来。初步重建后在三维图形上进行初步优化，映射回二维数据界面，在二维图像上进行修补优化后再进行三维重建。

1.3研究对象 随机选取于2019年3月30日进入河北医科大学智能医学影像实验室(未接触过三维可视化)的同学16名进行研究，随机分为2组，每组8名。试验组按上述方法进行泌尿系统重建的讲解教学，对照组通过自主学习操作手册和观看实验室老师重建示范进行常规学习。

1.4学习方法效果评价 对2组学员进行测试，测试分为动脉血管重建、肾脏重建、肾盏肾盂及输尿管重建，考察其对重建方法的掌握程度、重建质量、本方法的作用效果，每项满分为30分，共计90分。依据智能医学影像实验室阶段测评考核评分标准(有无漏建、错建，真实性，完整性)进行评分，实验结果采用考试单项成绩和总成绩。

动脉血管重建：①满分标准为肾动脉与髂动脉重建完全，正确重建出四级血管分支，血管整体平滑，无多余组织，二维分割数据准确，记30分；②扣分标准为血管二级分支每少一条扣10分，三级分支每少一条扣3分，四级分支少一条扣1分，错误重建一条分支扣2分，每带出一处其他组织扣2分，血管不平滑扣2分，二维分割数据部分膨胀或缩小扣2分。

肾脏重建：①满分标准为左肾右肾分开标识，肾皮质完整准确，肾髓质空心，肾门处无大血管分支，二维分割数据准确，记30分；②扣分标准为左、右肾未分开标识或标识错误扣5分，肾皮质每一处缺损扣2分，肾髓质重建过多扣2分，肾门处每出现一条二级分支血管扣2分，二维分割数据映射偏大或偏小扣2分。

肾盏肾盂及输尿管重建：①满分标准为左、右肾盏肾盂输尿管分开标识，重建光滑完整，未充盈部分补充完全，二维分割数据准确，记30分；②扣分标准为左右肾盏肾盂输尿管未分开标识或标错扣5分，肾盏肾盂有少量错误重建或遗漏重建每处扣2分，输尿管补充不全每处扣2分，输尿管未补充扣4分，二维分割数据偏大或偏小扣2分。

本次采用的测评数据图像质量良好，动脉血管可清晰辩识四级血管分支，右侧输尿管近膀胱侧对比剂不充盈。

图1 教学方法

1.5统计学方法 应用SPSS 21.0 统计软件分析数据。计量资料采用两独立样本的t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

试验组动脉血管重建成绩和总成绩均优于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)；2组肾脏重建和肾盏肾盂输尿管重建成绩差异无统计学意义(P>0.05)，见表1。

表1 试验成绩测定结果 分)

3 讨 论

被认为是第四次工业革命的人工智能化时代已经到来，随着科技的发展，智能医疗技术不断提高，三维重建技术在医学领域已崭露头角，应用效果显著,成功案例层出不穷[1-5]。

基于3D+人体可视化软件学习解剖知识会对人体各器官组织位置关系及形态结构更加熟悉，但初次接触三维可视化软件时往往难以掌握其使用方法。按照软件操作手册进行自主学习时，初学者易出现难以辨认清某些解剖结构、遗漏重建血管、选择工具不当而导致脏器边缘缺损或不知选用何种方法进行重建等问题，且完整地阅读学习手册耗费时较长，学习效果不理想。

本研究表明，试验组对该软件的总体掌握情况优于对照组，尤其对于血管重建(P<0.05)，使用该方法具有良好的重建效果。首先，整体了解软件用途有助于提高学习兴趣。在本试验中，同学们应用软件，将学习到的理论知识进行实践，结合医学前沿技术，认识到学习该软件的价值，提升学习兴趣，愿意投入更多时间和精力用于学习。其次，同学们在实验中系统复习了影像学相关知识，从阅片入手，按照一定的顺序，调节合适的窗宽窗位，认识正常图像中的各个结构，与系统解剖学相结合，从横断面、冠状面、矢状面分别熟悉各器官每一层的形态，对比观察，重点关注器官的大小形态密度变化，认清脏器之间或脏器与血管之间的毗邻关系。在阅片时除了观察图像以外，要求关注患者的诊断结果和基本资料，包括性别、年龄、扫描层厚、各部位的CT值等[6]。 再次，了解CT图像的产生原理和期相的切割划分，有利于同学们在三维重建过程中合理地选择期相和正确地判断病变的精准解剖结构和病理学特征。CT图像主要分为平扫图像、增强扫描图像和血管造影图像，其中CT平扫是指不用对比剂增强或造影的CT扫描，可以显示器官的基本形态、出血、液体、结石、钙化等病变。当病变部位与周围组织密度相近时，CT平扫则无法确诊，需要注入碘造影剂，进行CT增强扫描，观察病变的血供情况、病灶的强化程度等表现，判断病变性质[7-8]。根据是否注入造影剂和注入后其在脏器和血管内的代谢，期相可分为平扫期、动脉期、门静脉期、静脉期、延迟增强扫描期。其中螺旋CT平扫是高密度结石重建的金标准[9]；动脉期是指当对比剂进入动脉血管时，动脉血管显影明显，可选择该期重建动脉血管；门静脉期是指对比剂注入门静脉后，各腹腔脏器显影明显，是重建器官和门静脉的首选；静脉期是指对比剂经过肝静脉入下腔静脉的过程，可选择该期重建肝静脉；延迟增强扫描是对比剂代谢到肾脏、肾盏肾盂及输尿管的过程，应选择该期重建泌尿系统脏器，以达到结构影像学与功能影像学相结合的精准诊断[10]。上述所说为基本情况的选择，对于特殊显影的图像还应灵活选择，同时也需考虑最终的多期融合配准问题，选择最恰当的期相进行重建。在重建过程中，疑难病例需要突破常规重建方法，从重建方法的特点和病例图像的特点两方面思考，选择几个恰当的方式进行重建，验证出一个最省时且效果最好的方法[11]，如对于无法从体绘制提取的膀胱采用手工重建。

在本研究中进行基础重建方法教学，主要分为5类，分别是“器官重建、血管重建、手工重建、新建分割、体绘制”，学员在了解不同的结构所采取的重建方法及原因后进行自主选择。密度相近的部位可直接用器官重建，通过点取种子点的方式获得；对于形状较规则，但密度有一定差异，且层数较多的脏器可用手工重建，如壁膜增厚的胆囊，其由于膜层和胆囊腔密度的巨大差异，无法用种子点获得，则采用手工重建；对于层数较少、面积较小的部位可用新建分割，涂画出所需部位；血管通常采用血管重建；对于对比剂充盈的器官可使用体绘制的方法直接进行提取重建。在数据重建过程中也应灵活运用其他方法，如制作包含占位的肾脏时可使用数据相加减的方法。工具分为图像处理工具和图形处理工具，前者用于二维图像的处理，主要是对感兴趣区的补充和删除；后者用于三维图形的处理，主要是图形的裁剪、优化和定位。本研究对二维和三维转化这一难理解问题进行重点讲解，初学者最易困惑的是“面数据转分割数据”的含义，三维重建的图形称为面数据，映射至二维的图像称为分割数据。对于二维图像所提取感兴趣区和三维图形的修改应用不同区域的工具，通过“重建”操作使二维图像上的感兴趣区转化为三维立体结构，通过“面数据转分割数据”操作使三维图形映射到二维图像上。有时影像分割的不足直接限制组织结构的对比程度，影响图像效果，影响深度学习和智能化技术的科学实现，Wu等[12]曾利用CT图像构建骨骼、脂肪、软组织像素与解剖部位的变化曲线，确定三维图形的器官位置与形态，极大地提高了对组织病变的诊断。

对于初学者而言，不应该机械地去记忆操作步骤，而应该了解每一操作步骤所能达成的目的及所要求的目标效果。本研究显示按照笔者提出的方法，能使初学者对重建方法及操作目的和流程有明确的认识，提高重建效率和重建结果的准确性，也为自主应用该软件打下良好的基础。

初学者多次利用本方法学习软件时，还应注重积累经验和归纳总结。一方面重点关注一些不易把握形态、边界和位置的组织，如重建肿瘤占位时，要把握好边界、大小，真实占位周围的血管应该反复查找，重点关注；寻找肾上腺时应注意其位置与肾上腺的关系，左肾上腺呈半月形，右肾上腺呈三角形，横断面显示为人字形[13]，在重建泌尿系统数据时，注意不要将其画为静脉血管；重建肝尾状叶需注意其形态的多样性，肝尾状叶呈左大右小不规则靴形，位于肝脏的后方， 并以半环状环抱肝后段下腔静脉。其上界为3支肝静脉汇入下腔静脉的根部，下界游离，被肝十二指肠韧带和小网膜覆盖，前界是肝横裂的后缘，后界半环绕或偶有全环绕下腔静脉，左侧界为脐静脉韧带沟，右侧界和肝实质无明显分界线[14]；重点关注淋巴结位置，尤其注意食管后、心底下、肝门部、胰周围；注意胰头周围组织，与肠管边缘区的分界，及时总结胆总管与胰头的关系，胰头前方为小网膜囊、横结肠系膜、胃体和十二指肠升部，胰头上方有肝总动脉走行，胰头下方为十二指肠水平部包绕，胰头右上与胃幽门窦、十二指肠上部相邻，胰头左侧为肠系膜上动、静脉，胰头后方有下腔静脉、胆总管和右肾静脉走行[15]，胰腺癌的发病率逐年升高，CT扫描有成为胰腺癌主要影像学筛查手段的趋势[16]；注意胆管系统的毗邻关系，某些胆道系统疾病如肝门部胆管癌，早期诊断困难，易侵犯肝脏及周围血管、神经、淋巴结，预后较差[17]，在重建胆总管时，应注意肝总管与胆囊管的衔接形态，并重点观察胆胰肠结合部[18]。另一方面是注意积累血管重建技巧，当动、静脉亮度相似时，调节窗宽窗位，窗宽的大小直接影响图像的对比度，黑白对比度大时，有利于密度差异小的组织或结构显示，黑白对比度小时，有利于密度差异大的组织或结构显示，合适地选择窗宽窗位才能保证CT图像的识别质量；重建血管还需多层面观察，关注其来源和流向及最终汇入部位，沿每一条血管找到其来源和去路，结合病因分析，则易于识别血管；观察CT扫描质量，尽可能通过阈值分析提取出所需血管，对于CT值相近的部分，可分步提取，通过“数据相加减”进行合并，减少手绘，节省时间；在绘制血管细小分支时，最好每次只补涂1条，避免血管中断或重建错误；手绘血管易呈片状或不圆润，可以映射回二维，通过改进移动立方体重建出来。最后注意一些罕见疾病，如马蹄肾，即指两侧肾脏的上极或下极相融合，为少见的先天性泌尿系统疾病，其中间部位不易划分左右，多重建为一个整体，且由于其特殊的形态结构，常并发结石、囊肿、肿瘤及其他泌尿系统疾病[19]，因此在阅片时，要观察仔细，重点关注病变部位。

人体解剖结构复杂且变异繁多，掌握解剖学是医学生需要攻克的一大难关。学生在日常学习中模式较为单一，以理论授课联合模型观察的方式进行学习[20]，难以发挥空间联想能力，效果不甚理想，三维可视化技术为破解此难题提供了新的方法及思路。运用三维可视化分析软件，在计算机上建立各系统的三维图形，可以清晰显示脏器的大小、形态、血管走形、占位的大小位置及与主要管道的空间位置关系等，有利于深化理解解剖学科，为后续学习各科目奠定扎实的基础，激发学习热情，提高学习效率，培养良好的形象思维。

综上所述，以高效的学习方法学习三维可视化软件，注重积累经验，提高软件的掌握水平，夯实学习者的解剖基础，激发学习热情和主动性，有利于学习者自我探索，提高综合素质。