数字化可视人体在医学上的应用

重庆第三军医大学中心实验室白贵友综述张正治审校

数字化可视人体(DigitizedV sibleH uman)是依靠计算机技术三维显示人体器官结构的计算机模型，是医学与信息技术、计算机技术相结合的科学研究工作。将数字化可视人体的高精度数字模型与不同专业领域的知识和需求相结合，将产生具有行业特色的应用模型。利用数字化可视人体数据集可以方便地重建出人体组织器官内在的物理属性和空间关系并具有通真的视觉效果。重建出的内脏器官三维模型与现有的知识基础结合在一起，可以为科学研究、教育事业及临床上作开辟新的途径。现将数字化可视人体在医学上的应用简要综述如下。

1. 数字化可视人体在解剖学教学中的应用

随着数字化可视人体数据集的建立，计算机模拟人体将为解剖学的教学提供革命性的变化。过去，医学生通过阅读教材，看解剖图谱上的注释，并进行尸体解剖的实习来学习解剖学课程。利用虚拟人体进行人体解剖课的教学，学生可以用虚拟手术器械解剖虚拟尸体，并利用操纵杆、手套和其他设备的触觉强力反馈来感受到人体组织的不同质感，在虚拟解剖过程中如发生错误操作，学生可以返回纠正错误，当然也可以反复进行复习和训练。由于学生们可以随时进行虚拟解剖，不需一起来到解剖学实验室进行学习，这既可以方便老师和学生，同时又可以节约宝贵的尸体标本并减少其他器械如手套和刀片等的消耗，为学校和教研室减轻经济负担。

中世纪期间产生的解剖图谱构成了医学学习的基础，但解剖图谱是对人体器官三维结构的二维表达，容易使学习者对解剖结构的学习和理解受到制约。解剖图潜一般有许多个标注，细线的一端指向解剖结构，另一端注有该结构的名称，看上去非常复杂。数字计算机则为科学家获取、储存、利用和显示复杂图像提供了方便。1996年Toh MY等使用可视化人体数据集制成了交互式的大脑数字图谱，可同时显示多幅图像。1998年，美国国立医学图书馆开始了一个使用计算机技术组建标准的数字图像图书馆的计划。利用数字化可视人体数据集研制成的数字形式的解剖图谱，无需复杂的标注，只要将计算机鼠标移到某一解剖结构上，通过超链接则该结构的详细说明便会显示出来，并且可以显示某一部位的横断面解剖，还可将该结构立体显示，并可绕任意轴线旋转，使学生易于学习和掌握。另外人体组织的发育过程在教学中是一个难点，非常抽象，学生通常不易理解，如果将某一组织的发育过程数字化，并通过计算机辅助的模拟技术可将其非常直观地显示出来，这样就便于学习和理解。

2. 数字化可视人体在虚拟内镜检查中的应用

内镜是一种在临床医学中常用而有效的诊断和辅助手术治疗的丁具，它可以帮助医生观察并检测人体器官的内表面。通常包括胃镜、血管镜、肠镜等。然而它也存在这许多的不便，例如给病人带来不适，高昂的费用，有时可以产生严重的并发症如穿孔、感染及出血等。一般三维重建方法只能重构管腔外表面的解剖结构，而虚拟内镜是一项利用CT和MR1数据进行体积和表面重建的影像处理技术，是模拟显示管腔及其内表面的计算机成像技术。Wood等认为虚拟内镜因为无创且需极少的准备是一种理想的筛查工具。虚拟内镜作为一种内部器官结构的成像和检测手段，直接把病人体数据作为输人，可以通过接口接到CT或MRI设备上。通过体数据重建管状器官结构的病变区域，可以把三维体数据作为一种虚拟环境，在这个虚拟环境的内部，使用者可以交互的在器官结构的内部进行导航、成像或检查。Mitaritonno M等认为虚拟内镜很可能成为未来诊断显像领域的金标准，并可避免所有有关的顺从性问题以及传统内镜治疗所带来的穿孔和出血等危险。

虚拟内镜(virtual endoscopy)作为一种新的放射摄影技术，可以提供物体表面的轮廓细节，并能够通过使用高清晰度的图像和独特的计算机处理方法进行空腔器官的三维观察。它将内镜检查的特征和具有代表性的体积测量图像结合在一起，已被普遍使用到了胃肠癌和结肠癌的评价中, 1994年vining等首次提出CT虚拟内镜成像以来，学者们对此技术已进行了一系列的研究，且临床应用取得了初步的成效。Himi T等利用虚拟内镜进行的中耳模拟与术中发现完全相同，认为该技术将在耳科学的术前计划、手术训练以及术后评价中发挥重要作用, K ayCI等通过临床比较证实虚拟内镜能检查出大部分直径超过lom。的病损，并认为该技术正在发展成为直结肠病变的诊断和筛查工具。 Ishimaru T曾利用虚拟关节镜为一病人进行了检查，认为在不久的将来虚拟关节镜将作为一种新的技术上具被用来为患有颖下领关节病变的病人进行检查及治疗。Boor5等通过内耳疾病的临床应用表明虚拟内镜可以提供类似于真实内镜检查的视野，可以将内耳复杂的解剖结构如管道系统和内耳的病理变化准确显示，可用于病例讨论、术前计划和教学。

由于纤维内镜检查是一种带有创伤性的检查，因而病人通常不愿接受，然而虚拟内镜检查则完全避免这类弊端，同时人体许多不能进行纤维内镜检查的部位，但可进行虚拟内镜检查。虽然虚拟内镜检查可以代替真实内镜检查，但仍有必要对虚拟内镜检查的常规临床应用进行确认和改进。2000年Robb PA使用美国国立医学图书馆的可视人数据集改进和测试了虚拟内镜检查的使用程序并评价了其操作在一系列临床应用中的价值，表明虚拟内镜检查可以为临床诊断提供准确的依据。

3. 数字化可视人体在虚拟活检中的应用

“虚拟活检(virtualb iopsy)”系指在虚拟内镜的基础上，借助各种最新成像手段及计算机分析技术，以获取病变部位尽可能多的形态及功能信息，得出类似或接近组织学活检的诊断结果，其一般步骤是通过虚拟内镜技术观察到具体病变部位，在该处进行模拟组织提取，再通过对提取组织的形态、功能信息的分析得到检测结果。在医学上所使用的探针式活检是通过直接穿刺的方式或经纤维内镜从管腔内部将一根探针刺人病变部位，进行组织的提取或分析。活体组织检测对于了解病变组织的细胞学特征以及病变的定性诊断具有十分重要的作用，但由于其属于创伤性的诊断手段，并且对于从整体上和任意方向的取样检查有一定的限度，有时还可能出现假阳性结果。然而虚拟活检技术在这一点上具有突出的优越性。Hopper KD等研究认为利用具有淋巴结增强效应的虚拟支气管镜可以增加活检的成功率，然而一般经支气管活检一些在内镜条件下看不清的淋巴结和肿瘤的成功率通常要低于50%, Vahora F等研制了一种基于先进的力反馈设备的乳腺虚拟活检系统，可为外科医生在对病变区进行检查时提供高保真度的视觉和力反馈线索。从理论上讲，只要仪器的分辨率足够高，通过计算机成像技术对病变区进行尽可能的放大，就能够直接显示组织和细胞的形态结构。这将实现通过无创性虚拟影像学检查即可获得病理学信息的目标，是虚拟影像学研究的一个重要方向。

4 数字化可视人体在计算机辅助外科手术模拟中的应用

通过CT或IVIRI图像可以重建出病人的病变器官，再加以虚拟的检测内镜及活检可以查出微小肿瘤等病变，以提高早期病变的检出率。重建出的人体器官可以任意旋转，其中的组织结构如血管、神经等可以单独显示，也可以联合显示，术前通过对其进行详细研究，可为临床医师选择最佳手术方案提供依据，即可以用于外科手术模拟。

1989年Fujino提出模拟手术的概念，并于1991年加以补充完善，它可分为两部分:经验手术模拟和计算机手术模拟。其中模拟可以被看作是一种设备或练习，它能使参与者在实验的条件下复制或描述实际操作中很可能发生的情况。利用可视化人体可以在虚拟的现实环境中进行手术模拟，为术前选择最佳手术方案，使治疗更加安全可靠，改变以往凭主观经验制定手术方案的形式。现已应用于立体定向神经外科、激光肝癌治疗、颅面外科、角膜显微外科手术等领域。通过CT或MRI得到的数字图像，可以重建成三维立体或表面的且与原物一样大小图像的技术，使术前的手术模拟成为一个可行的手术方案。术前手术方案的制定是手术模拟的目的之一，计算机图像工作站为术前手术模拟提供了这个基于图像数据而不是基于病人的平台，所选择的可能是最佳的手术方案其结果可以被预测，这个手术方案可能是标准的也可能虑首创的, ManyakN p等研制了一种包括除觉反馈和具有解剖详图的外科工具的手术模拟器，并认为对于多种下泌尿道的手术操作来说，虚拟手术模拟是可行的。利用基于计算机系统的手术模拟，也可以进行对医务人员的手术训练。通过操纵杆等设备的触觉强力反馈，医生可以感受到人体组织的不同质感，通过反复进行模拟而达到训练的目的。

随着信息技术和计算机技术的进一步发展，高度精密的数字化可视人体模型及其相关技术将被应用到更多的领域，但这一过程仍然有许多关键技术需要众多科技工作者来一道解决，如：医学影像导航手术系统、机器人手术；触觉反馈和力反馈模拟；血液流动模拟；环境辐射及放射性物质对人体的影响；航空操作模拟；乐器演奏模拟；汽车检测中的碰撞模拟；优秀运动员特定动作轨迹的模拟等。