應用3D+人體可視化軟件的方法與經驗

丁思萱，郝 清，劉懷軍，朱青峰

(1.河北醫科大學醫學影像學院2016級，河北 石家莊 050000；2.河北醫科大學第二醫院影像科，河北 石家莊 050017；3.河北醫科大學影像學院智能醫學影像實驗室，河北 石家莊 050017)

3D+人體可視化軟件是計算機斷層掃描(Computer Tomography,CT)三維重建技術的再發展，基于CT圖像數據，利用計算機圖像處理技術將人體器官、血管、病變的形態結構、空間分布通過面繪制技術進行三維重建。該軟件便于了解人體結構，在深入學習解剖學知識的基礎上更宏觀地理解解剖斷面結構和三維立體結構，提高對重建過程中所接觸疑難病例的解剖學結構的理解程度，搭建起由基礎知識向臨床應用過渡的橋梁。對于臨床醫生和教師，此軟件具有操作方便，簡單易學等優勢。然而對于知識儲備較少、尚未接觸過臨床的醫學生或不曾學習過相關軟件的人員，想要熟練掌握此軟件的使用方法，仍舊是一個巨大的挑戰。筆者提出了快速學習該軟件的方法并進行驗證，對重建過程中部分疑難問題的解決經驗進行論述，旨在使初學者高效利用此軟件，突破三維重建過程中的瓶頸。

1 資 料 與 方 法

1.13D+人體可視化系統軟件介紹 3D+人體可視化系統應用產品是深圳市旭東數字醫學影像技術有限公司于2012年在國內率先研發的為中國外科醫生實現精準外科手術提供的智慧工具，近年來，該軟件不斷更新，當前使用的版本為IPS2.0.4.5。目前，3D+人體可視化系統已在上海第二軍醫大學附屬東方肝膽醫院、南方醫科大學珠江醫院、中國醫科大學附屬盛京醫院、浙江大學邵逸夫醫院、香港中文大學等國內外多家大型三甲醫院使用。通過數千例臨床驗證，3D+人體可視化軟件得到臨床專家們的一致認可。

1.2提出方法 首先廣泛了解一些重建知識，對學習軟件產生一定的興趣，認識界面與工具，導入數據后學習閱片知識并確定重建目標應選擇的期相，準備重建。然后調節窗寬窗位，突出顯示重建目標，根據噪聲大小選擇是否降噪，進行三面定位，選中重建目標，選擇相應的重建工具，根據不同類型的重建目標選擇不同的方法進行初步重建，如重建動脈血管時可選擇閾值提取的方法，重建臟器可以選擇人工智能算法或種子點點取的方法，重建下腔靜脈或者占位時可以選擇手工重建，隔層畫出感興趣區，重建層數較少的部位如結石時可以使用新建分割，重建對比劑充盈的膀胱或腎盞腎盂及輸尿管時，可以選擇體繪制重建的方法，直接提取出來。初步重建后在三維圖形上進行初步優化，映射回二維數據界面，在二維圖像上進行修補優化后再進行三維重建。

1.3研究對象 隨機選取于2019年3月30日進入河北醫科大學智能醫學影像實驗室(未接觸過三維可視化)的同學16名進行研究，隨機分為2組，每組8名。試驗組按上述方法進行泌尿系統重建的講解教學，對照組通過自主學習操作手冊和觀看實驗室老師重建示范進行常規學習。

1.4學習方法效果評價 對2組學員進行測試，測試分為動脈血管重建、腎臟重建、腎盞腎盂及輸尿管重建，考察其對重建方法的掌握程度、重建質量、本方法的作用效果，每項滿分為30分，共計90分。依據智能醫學影像實驗室階段測評考核評分標準(有無漏建、錯建，真實性，完整性)進行評分，實驗結果采用考試單項成績和總成績。

動脈血管重建：①滿分標準為腎動脈與髂動脈重建完全，正確重建出四級血管分支，血管整體平滑，無多余組織，二維分割數據準確，記30分；②扣分標準為血管二級分支每少一條扣10分，三級分支每少一條扣3分，四級分支少一條扣1分，錯誤重建一條分支扣2分，每帶出一處其他組織扣2分，血管不平滑扣2分，二維分割數據部分膨脹或縮小扣2分。

腎臟重建：①滿分標準為左腎右腎分開標識，腎皮質完整準確，腎髓質空心，腎門處無大血管分支，二維分割數據準確，記30分；②扣分標準為左、右腎未分開標識或標識錯誤扣5分，腎皮質每一處缺損扣2分，腎髓質重建過多扣2分，腎門處每出現一條二級分支血管扣2分，二維分割數據映射偏大或偏小扣2分。

腎盞腎盂及輸尿管重建：①滿分標準為左、右腎盞腎盂輸尿管分開標識，重建光滑完整，未充盈部分補充完全，二維分割數據準確，記30分；②扣分標準為左右腎盞腎盂輸尿管未分開標識或標錯扣5分，腎盞腎盂有少量錯誤重建或遺漏重建每處扣2分，輸尿管補充不全每處扣2分，輸尿管未補充扣4分，二維分割數據偏大或偏小扣2分。

本次采用的測評數據圖像質量良好，動脈血管可清晰辯識四級血管分支，右側輸尿管近膀胱側對比劑不充盈。

圖1 教學方法

1.5統計學方法 應用SPSS 21.0 統計軟件分析數據。計量資料采用兩獨立樣本的t檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

試驗組動脈血管重建成績和總成績均優于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)；2組腎臟重建和腎盞腎盂輸尿管重建成績差異無統計學意義(P>0.05)，見表1。

表1 試驗成績測定結果 分)

3 討 論

被認為是第四次工業革命的人工智能化時代已經到來，隨著科技的發展，智能醫療技術不斷提高，三維重建技術在醫學領域已嶄露頭角，應用效果顯著,成功案例層出不窮[1-5]。

基于3D+人體可視化軟件學習解剖知識會對人體各器官組織位置關系及形態結構更加熟悉，但初次接觸三維可視化軟件時往往難以掌握其使用方法。按照軟件操作手冊進行自主學習時，初學者易出現難以辨認清某些解剖結構、遺漏重建血管、選擇工具不當而導致臟器邊緣缺損或不知選用何種方法進行重建等問題，且完整地閱讀學習手冊耗費時較長，學習效果不理想。

本研究表明，試驗組對該軟件的總體掌握情況優于對照組，尤其對于血管重建(P<0.05)，使用該方法具有良好的重建效果。首先，整體了解軟件用途有助于提高學習興趣。在本試驗中，同學們應用軟件，將學習到的理論知識進行實踐，結合醫學前沿技術，認識到學習該軟件的價值，提升學習興趣，愿意投入更多時間和精力用于學習。其次，同學們在實驗中系統復習了影像學相關知識，從閱片入手，按照一定的順序，調節合適的窗寬窗位，認識正常圖像中的各個結構，與系統解剖學相結合，從橫斷面、冠狀面、矢狀面分別熟悉各器官每一層的形態，對比觀察，重點關注器官的大小形態密度變化，認清臟器之間或臟器與血管之間的毗鄰關系。在閱片時除了觀察圖像以外，要求關注患者的診斷結果和基本資料，包括性別、年齡、掃描層厚、各部位的CT值等[6]。 再次，了解CT圖像的產生原理和期相的切割劃分，有利于同學們在三維重建過程中合理地選擇期相和正確地判斷病變的精準解剖結構和病理學特征。CT圖像主要分為平掃圖像、增強掃描圖像和血管造影圖像，其中CT平掃是指不用對比劑增強或造影的CT掃描，可以顯示器官的基本形態、出血、液體、結石、鈣化等病變。當病變部位與周圍組織密度相近時，CT平掃則無法確診，需要注入碘造影劑，進行CT增強掃描，觀察病變的血供情況、病灶的強化程度等表現，判斷病變性質[7-8]。根據是否注入造影劑和注入后其在臟器和血管內的代謝，期相可分為平掃期、動脈期、門靜脈期、靜脈期、延遲增強掃描期。其中螺旋CT平掃是高密度結石重建的金標準[9]；動脈期是指當對比劑進入動脈血管時，動脈血管顯影明顯，可選擇該期重建動脈血管；門靜脈期是指對比劑注入門靜脈后，各腹腔臟器顯影明顯，是重建器官和門靜脈的首選；靜脈期是指對比劑經過肝靜脈入下腔靜脈的過程，可選擇該期重建肝靜脈；延遲增強掃描是對比劑代謝到腎臟、腎盞腎盂及輸尿管的過程，應選擇該期重建泌尿系統臟器，以達到結構影像學與功能影像學相結合的精準診斷[10]。上述所說為基本情況的選擇，對于特殊顯影的圖像還應靈活選擇，同時也需考慮最終的多期融合配準問題，選擇最恰當的期相進行重建。在重建過程中，疑難病例需要突破常規重建方法，從重建方法的特點和病例圖像的特點兩方面思考，選擇幾個恰當的方式進行重建，驗證出一個最省時且效果最好的方法[11]，如對于無法從體繪制提取的膀胱采用手工重建。

在本研究中進行基礎重建方法教學，主要分為5類，分別是“器官重建、血管重建、手工重建、新建分割、體繪制”，學員在了解不同的結構所采取的重建方法及原因后進行自主選擇。密度相近的部位可直接用器官重建，通過點取種子點的方式獲得；對于形狀較規則，但密度有一定差異，且層數較多的臟器可用手工重建，如壁膜增厚的膽囊，其由于膜層和膽囊腔密度的巨大差異，無法用種子點獲得，則采用手工重建；對于層數較少、面積較小的部位可用新建分割，涂畫出所需部位；血管通常采用血管重建；對于對比劑充盈的器官可使用體繪制的方法直接進行提取重建。在數據重建過程中也應靈活運用其他方法，如制作包含占位的腎臟時可使用數據相加減的方法。工具分為圖像處理工具和圖形處理工具，前者用于二維圖像的處理，主要是對感興趣區的補充和刪除；后者用于三維圖形的處理，主要是圖形的裁剪、優化和定位。本研究對二維和三維轉化這一難理解問題進行重點講解，初學者最易困惑的是“面數據轉分割數據”的含義，三維重建的圖形稱為面數據，映射至二維的圖像稱為分割數據。對于二維圖像所提取感興趣區和三維圖形的修改應用不同區域的工具，通過“重建”操作使二維圖像上的感興趣區轉化為三維立體結構，通過“面數據轉分割數據”操作使三維圖形映射到二維圖像上。有時影像分割的不足直接限制組織結構的對比程度，影響圖像效果，影響深度學習和智能化技術的科學實現，Wu等[12]曾利用CT圖像構建骨骼、脂肪、軟組織像素與解剖部位的變化曲線，確定三維圖形的器官位置與形態，極大地提高了對組織病變的診斷。

對于初學者而言，不應該機械地去記憶操作步驟，而應該了解每一操作步驟所能達成的目的及所要求的目標效果。本研究顯示按照筆者提出的方法，能使初學者對重建方法及操作目的和流程有明確的認識，提高重建效率和重建結果的準確性，也為自主應用該軟件打下良好的基礎。

初學者多次利用本方法學習軟件時，還應注重積累經驗和歸納總結。一方面重點關注一些不易把握形態、邊界和位置的組織，如重建腫瘤占位時，要把握好邊界、大小，真實占位周圍的血管應該反復查找，重點關注；尋找腎上腺時應注意其位置與腎上腺的關系，左腎上腺呈半月形，右腎上腺呈三角形，橫斷面顯示為人字形[13]，在重建泌尿系統數據時，注意不要將其畫為靜脈血管；重建肝尾狀葉需注意其形態的多樣性，肝尾狀葉呈左大右小不規則靴形，位于肝臟的后方， 并以半環狀環抱肝后段下腔靜脈。其上界為3支肝靜脈匯入下腔靜脈的根部，下界游離，被肝十二指腸韌帶和小網膜覆蓋，前界是肝橫裂的后緣，后界半環繞或偶有全環繞下腔靜脈，左側界為臍靜脈韌帶溝，右側界和肝實質無明顯分界線[14]；重點關注淋巴結位置，尤其注意食管后、心底下、肝門部、胰周圍；注意胰頭周圍組織，與腸管邊緣區的分界，及時總結膽總管與胰頭的關系，胰頭前方為小網膜囊、橫結腸系膜、胃體和十二指腸升部，胰頭上方有肝總動脈走行，胰頭下方為十二指腸水平部包繞，胰頭右上與胃幽門竇、十二指腸上部相鄰，胰頭左側為腸系膜上動、靜脈，胰頭后方有下腔靜脈、膽總管和右腎靜脈走行[15]，胰腺癌的發病率逐年升高，CT掃描有成為胰腺癌主要影像學篩查手段的趨勢[16]；注意膽管系統的毗鄰關系，某些膽道系統疾病如肝門部膽管癌，早期診斷困難，易侵犯肝臟及周圍血管、神經、淋巴結，預后較差[17]，在重建膽總管時，應注意肝總管與膽囊管的銜接形態，并重點觀察膽胰腸結合部[18]。另一方面是注意積累血管重建技巧，當動、靜脈亮度相似時，調節窗寬窗位，窗寬的大小直接影響圖像的對比度，黑白對比度大時，有利于密度差異小的組織或結構顯示，黑白對比度小時，有利于密度差異大的組織或結構顯示，合適地選擇窗寬窗位才能保證CT圖像的識別質量；重建血管還需多層面觀察，關注其來源和流向及最終匯入部位，沿每一條血管找到其來源和去路，結合病因分析，則易于識別血管；觀察CT掃描質量，盡可能通過閾值分析提取出所需血管，對于CT值相近的部分，可分步提取，通過“數據相加減”進行合并，減少手繪，節省時間；在繪制血管細小分支時，最好每次只補涂1條，避免血管中斷或重建錯誤；手繪血管易呈片狀或不圓潤，可以映射回二維，通過改進移動立方體重建出來。最后注意一些罕見疾病，如馬蹄腎，即指兩側腎臟的上極或下極相融合，為少見的先天性泌尿系統疾病，其中間部位不易劃分左右，多重建為一個整體，且由于其特殊的形態結構，常并發結石、囊腫、腫瘤及其他泌尿系統疾病[19]，因此在閱片時，要觀察仔細，重點關注病變部位。

人體解剖結構復雜且變異繁多，掌握解剖學是醫學生需要攻克的一大難關。學生在日常學習中模式較為單一，以理論授課聯合模型觀察的方式進行學習[20]，難以發揮空間聯想能力，效果不甚理想，三維可視化技術為破解此難題提供了新的方法及思路。運用三維可視化分析軟件，在計算機上建立各系統的三維圖形，可以清晰顯示臟器的大小、形態、血管走形、占位的大小位置及與主要管道的空間位置關系等，有利于深化理解解剖學科，為后續學習各科目奠定扎實的基礎，激發學習熱情，提高學習效率，培養良好的形象思維。

綜上所述，以高效的學習方法學習三維可視化軟件，注重積累經驗，提高軟件的掌握水平，夯實學習者的解剖基礎，激發學習熱情和主動性，有利于學習者自我探索，提高綜合素質。