基于数字孪生技术的颈椎病预防可视化系统的设计与应用

关键词：数字孪生；影像分割；医疗系统；颈椎；三维可视化

0 引言

随着全球数字化浪潮的推动，数字孪生技术在智慧医疗领域受到广泛关注，该技术通过数学建模和仿真方法，将现实世界中的物理实体或系统进行虚拟复制，其原理是基于数据采集、建模、仿真和分析等手段将物理实体与数字孪生体实时动态关联，实现物理世界与数字世界的交互融合[1]。同时，颈椎病是颈椎椎间盘组织退化性改变及其周围组织结构（脊髓、神经根、椎动脉、交感神经等）出现相应临床表现的一种疾病，是当前最常见的骨科疾病之一，患者多为中老年群体[2]。然而，近年来高科技电子产品的普及和生活学习压力的增加，导致青少年久坐时间显著延长，与此同时，不良的睡眠体位和各种先天或发育性因素也损害了青少年的颈椎，致使颈椎病的发病年龄趋于年轻化，越来越多的青年患有颈椎病。因此，预防颈椎病的关键在于从源头降低其发病概率。基于此，本文依据下文提及的数字孪生技术研发了一款颈椎病预防可视化系统，旨在能有效缓解日趋严重的青年颈椎病问题。

1 系统设计

1.1 设计思路

医生与患者之间由于医学知识差距较大，沟通存在障碍。为消除这一障碍，本文开发该系统，通过专业化知识库、3D模型和动态视频等多种形式，直观演示病症形成过程、治疗手段以及潜在风险等医患沟通关心的问题，辅助医生更好地向患者讲解病情，帮助患者更好地理解医生所表达的内容。如图1所示为基于数字孪生技术的颈椎病预防可视化系统的技术路线图。

1.2 系统功能设计

系统功能结构图如图2所示。

1.2.1 病种知识库模块设计

病种知识库模块中包括不同科室和不同病种的疾病介绍、治疗方案、风险危害、康复建议、用药指导和知识图谱等板块。其增删改查的方法包括通过内部和外部来源收集知识，将知识进行整理和分类，采用分类体系、标签和关键词等方式进行知识的归类和组织；将知识存入知识库，并定期更新和维护知识库。医生可以查看、增添、删除、修改知识库的病种信息，以便于分析各种病症并对症治疗。通过知识库模块，可实现病患资料的整合，提供全面丰富的病例参考，便于医生做出快速准确的诊断。该知识库模块具有自我完善功能，随着经验积累，其提供的参考价值将会越来越大。

1.2.2 病种视频模块设计

首先，用户进入系统主界面后，将看到一个名为“病种知识库”的选项。用户点击该选项后，系统弹出输入框，要求输入疾病名称。用户在输入框中输入疾病名称后，点击确定按钮。系统接收到输入后，在后台病种基础库中进行查询。查询结果包括疾病的介绍、治疗方案、风险危害、康复建议等相关内容。这些信息将被系统展示给用户。用户还可以点击“动画演示”选项查看该疾病的动画演示。点击后，系统将播放与该疾病相关的视频。医生是这个系统的主要使用者，他们可以通过这个系统查询到疾病相关的信息。医生需要在系统中输入他们想要查询的疾病名称，系统会根据医生输入的疾病名称，从后台的病种基础库中查询到疾病相关的信息，并将这些信息展示给医生。

1.2.3 3D 工具台模块设计

系统支持按病种查看动态视频和3D演示模型。用户可以对模型进行放大、缩小操作，实现单独或合并展示，并计算模型的长、宽、高、体积等数据，同时提供画笔工具进行标记。3D工作台支持医生全面、形象地展示医疗内容，有助于患者理解并提高对自身病症的认识。

2 数字孪生体的实现

数字孪生技术在医疗领域已占据重要地位，尤其与医学图像建模的结合发展迅速。医学数字孪生将实际患者的特征和行为数字化[3]，并与真实世界同步更新，为医学影像分析、疾病诊断和治疗规划[4]提供重要支持，这正是预防颈椎病所需的技术。以下将介绍颈椎数字孪生体模型的构建过程。

基于数字孪生技术，通过结合病种知识库中数据所表达的症状，将病种及其相关情况在模型中进行展示，可以更直观地帮助患者理解并对自身病症有更加充分的认识。

在构建过程中，首先收集真实临床病例的医学数据，包括图像数据、患者病史和临床报告。这些数据涵盖影像学检查结果（如MRI、CT扫描）、组织样本分析以及关于疾病的详细信息。随后，基于收集的数据和医学知识，运用三维建模软件及相关技术来创建疾病模型。

根据田竞团队的研究，数字孪生技术大致分为以下几类：可视化人体模型、物理人体模型、军事虚拟人、临床虚拟患者[5]。这些分类虽基于其前驱性技术，但都殊途同归，均期望在可视化人体模型基础上形成3D实体几何模型，在保障几何精度的同时，兼顾物理模型的泛化能力和数据模型的快速求解，从而实现实时预测。

为实现对特定颈椎疾病的个性化预防，本研究采用颈椎CT影像数据，构建了三维虚拟模型。该模型旨在对患者的颈椎进行个性化的精确数字复制，以期达到疾病预防的目的。

2.1 采用U-Net++技术分割图像

基于临床数字CT影像，采用U-Net++模型对影像进行分割。首先准备大量标注好的颈椎CT影像数据作为训练集，并将其输入U-Net++网络进行训练。在训练过程中，网络通过反向传播算法调整参数，逐步学习颈椎和背景特征[6]。训练完成后，将新的未标注颈椎CT影像测试集输入已训练好的U-Net++网络，该网络根据所学习到的特征对图像进行分割，从而区分颈椎和背景区域[7]。

由表1所示，在Dice系数、精确度和召回率性能指标上，U-Net++表现出明显的优势，显示出多尺度特征融合模块的优越性。在平均绝对误差和dorff距离上，U-Net++也展现出较好的性能，9表5%明H其au在s⁃细节处理和边界定位方面具有较高的准确性。U- Net++引入了多尺度特征融合模块[8]，增强了跳跃连接路径和上采样卷积块，以提高分割性能。在U-Net++ 中，编码器由卷积层和池化层组成，用于提取和压缩图像特征；解码器则逐步恢复这些特征，并最终输出分割结果。多尺度特征融合模块是U-Net++的关键，它融合不同层级的特征图，从而提高分割性能。

由于U-Net++网络在多尺度特征融合方面具有优势，其能够更好地捕捉颈椎CT影像的上下文信息，提高分割的准确性和鲁棒性。

2.2 利用VTK 体绘制技术构建颈椎虚拟模型

首先读取医学影像数据并将其转换为vtkImage⁃ Data格式，利用vtkMarchingCubes算法提取等值面生成表面网格，使用vtkSmoothPolyDataFilter进行平滑处理，创建vtkRenderer、vtkRenderWindow和vtkRender⁃ WindowInteractor对象，实现图像显示和用户交互，最后调用vtkRenderWindow 的Render（）方法进行渲染。在VTK的体绘制（Volume Rendering） 中，数据插值在光线传递（Ray Casting） 过程中发挥着关键作用[9]。

体绘制采用DICOM数据集，通过灰度或颜色映射，将不同密度或强度的组织分配不同颜色或透明度，从而保留三维模型细节信息并清晰展示内部结构。

由于数据集来源于不同患者，采用多模态数据融合方法，集中整合CT图像数据及患者生理数据，以全面了解颈椎的结构和组织信息。CT图像能够清晰呈现颈椎的骨骼结构，包括椎体、椎弓等详细信息。通过进一步进行生理数据与颈椎结构特征的关联分析，可揭示患者生理状况与颈椎形态之间的潜在关系。这种多模态数据融合的综合方法能够更好地反映真实患者的颈椎部位解剖和生理状态，为数字化映射和计算模型的精确性提供了更为全面的基础。同时，根据颈椎涉及的生物力学材料属性对模型进行修改。图4为采用VTK体绘制技术进行的初步建模模型。

2.3 利用Mimics 软件进行模型细节优化

Mimics软件是一款用于处理医学影像数据和进行三维重建的先进软件，其广泛应用于医学、生物力学以及工程领域，特别是在创建精确的三维模型方面具有显著优势。使用Mimics软件重构颈椎3D模型的过程如下：首先需要导入CT或MRI扫描获得的颈椎影像数据（通常为DICOM格式）；其次对导入的影像进行必要的预处理，如调整对比度、亮度等，以便于更好地识别颈椎结构；预处理完成后，通过阈值工具、区域增长或手动分割工具来分割颈椎的感兴趣区域，这可能包括椎体、椎间盘和其他结构；随后创建蒙版，在分割过程中，将生成一个或多个代表所分割结构的蒙版，并对其进行编辑和优化，以确保准确覆盖所需结构。当蒙版的准确性达到要求后，即可使用“Calcu⁃ late 3D”功能生成颈椎的三维模型。

2.4 结合3D 可视化系统

将数字孪生体颈椎模型通过Unity导入系统中，利用基于数字孪生技术的3D演示系统，医生可以将预防颈椎病的动作、技巧和建议以视觉形式传达给患者。患者可通过远程视频会议或专门开发的预防应用程序观看这些模型演示，并根据指导进行预防训练。这种方法使医生能够更准确地指导患者的预防过程，患者也能够更清楚地理解和执行预防方案。

3D演示系统在医患沟通中发挥着桥梁作用。医生可利用3D颈椎模型向患者直观地展示其颈椎状况，包括病变的位置、大小和形态。这种可视化的沟通方式有助于患者更好地理解自身病情，减少对疾病和治疗的恐惧与误解，同时也能避免患者因对自身病情认识不足而导致关注度不够，进而引发病情恶化的情况。3D演示系统有助于建立互信的医患关系，提高患者满意度。

3 系统效果

基于数字孪生技术的颈椎病预防可视化系统结合了目前较为成熟的3D建模技术，以3D演示系统为平台赋能，旨在扩大用户使用群体，使尽可能多的人了解颈椎病发病机理及风险危害，达到有效预防颈椎病的目的。同时实现医学诊疗服务的场景化、数字化，构建具有普遍意义的医疗应用平台，从患者和医生两个不同视角出发，实现颈椎病的有效预防。

系统具备病种知识库和3D视频讲解模块，旨在为患者提供新颖、翔实、直观的颈椎病相关医疗信息，帮助患者更好地了解自身颈椎状况，从而更加积极有效地参与疾病预防过程，提高患者满意度。此外，随着系统的进一步优化，还可制定更加精准的个性化预防方案，使疾病预防效果达到前所未有的水平。

系统具备3D工具台（左侧为多种交互工具，右侧为数字孪生模型），旨在直观清晰地展示患者颈椎的病变情况，使医生能够有效跟踪患者病情，及时分析情况并采取相应预防措施。与此同时，医生可使用测量、旋转、放大缩小、组件拼接或隐藏等多种交互工具对模型进行标记处理，这极大地方便了医生的操作，使医生在整个疾病预防过程中得心应手。

系统旨在向患者普及颈椎病相关知识、辅助医生诊断决策的同时，极大地降低医疗成本、提高医疗效率、改善医疗服务质量，使预防颈椎病这一宗旨得以顺利推行实施。此外，该系统融合多种功能，满足多类群体需求，基于数字孪生技术将患者颈椎数字化、可视化，为颈椎病的预防提供了技术上的依据和支持，使整个预防过程得以有效推进。

4 结论

本系统结合多项先进技术，实现颈椎数字孪生体的构建与可视化。首先采用U-Net++影像分割技术对颈椎CT影像进行分割，再使用VTK体绘制技术对模型进行初步的建模，然后使用Mimics软件对模型进行细节优化处理，最后将模型导入系统进行模型的可视化以及交互。系统的可视化功能及其他辅助功能，不仅帮助医生更准确地诊断颈椎病，还为患者提供直观、深入的病变认识，有效预防和减轻颈椎病影响。基于数字孪生技术的颈椎病预防可视化系统的设计和应用，旨在为广大患者提供更加直观、深入的颈椎病变认识，从而帮助他们有效预防和减轻颈椎病的影响。同时，期待这一技术在未来的医学领域中发挥更大作用，为人类的健康事业作出更大的贡献。