3D可視化、3D打印、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實在醫(yī)學中作用的研究進展

作者：潘雯   北京工業(yè)職業(yè)技術學院機電工程學院

近十余年來，醫(yī)學飛速發(fā)展，相關醫(yī)學術語被創(chuàng)造和 重新定義，從“循證醫(yī)學”到“靶向治療”，從“個體化醫(yī) 療”、“轉化醫(yī)學”、“整合醫(yī)學”到“精準醫(yī)學”，這一系列新 名詞代表了基礎醫(yī)學某些領域認知的進步和理念的更迭， 醫(yī)學數(shù)據(jù)的數(shù)字化越來越受到關注『七傳統(tǒng)診療過程 中，醫(yī)生根據(jù)二維斷層圖像分析患者的病灶部位特點，憑 借經(jīng)驗估計病灶的結構、形態(tài)及其跟周圍組織的關系，由 于二維圖像無法提供人體內部組織、器官的結構，因此缺 乏直觀性和準確性。醫(yī)學圖像三維(three-dimensional, 3D)可視化技術、虛擬現(xiàn)實(virtual reality, VR)、增強現(xiàn)實 (augment reality ,AR)、3D打印技術，將提高臨床診斷、治療 的精確性和科學性，促進精準醫(yī)療的發(fā)展卜〕。本文從醫(yī) 學教學、醫(yī)學科研、臨床應用3個角度，闡述醫(yī)學圖像3D 可視化、3D打印、VR技術、AR技術在醫(yī)藥領域中的作用。

1概述
醫(yī)學圖像3D可視化是從計算機斷層技術(computed tomography, CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)、超聲波成像(ultrasonography, US)、電子發(fā)射計算斷 層造影(PET)等成像系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)后，轉換為人類視覺可 感知的三維醫(yī)學圖像3,該三維圖像可操作、可分析。VR 技術是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界,為使 用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者身臨其 境，通過多感知性、存在性、交互性、自主性促進醫(yī)生對患 者復雜生命系統(tǒng)及疾病的了解3。AR技術是在VR技術 基礎上發(fā)展起來的，可將計算機產(chǎn)生的虛擬物體融合于真 實場景中，實時疊加到同一空間，具有虛實融合、實時交 互、輔助增強的特點⑺。3D打印技術是集計算機輔助設計 (CAD)、計算機輔助制造(CAM)、數(shù)控技術、激光技術、高 分子材料等領域為一體的全新快速成型技術w。

2醫(yī)學教學應用
醫(yī)學圖像3D可視化、3D打印、VR技術、AR技術的互 相結合,對醫(yī)學傳統(tǒng)的教學模式、教學手段、教學方法都產(chǎn) 生了巨大的沖擊；目前主要用于虛擬解剖學、虛擬手術、虛 擬實驗室等。醫(yī)學傳統(tǒng)的教學模式和教學手段，多以教學圖譜、教學模型、實驗動物、尸體解剖、現(xiàn)場觀摩等形式完 成，這些方式有其自身的優(yōu)點，但一定程度上均存在不 足。在網(wǎng)絡技術迅速發(fā)展，大數(shù)據(jù)現(xiàn)象在物理、生物、統(tǒng)計、醫(yī)學等學科領域快速傳播的時代背景下，多種教學模 式、教學手段結合應用將成為教學的主流⑴。醫(yī)學圖像3D 可視化、3D打印、VR技術、AR技術的綜合運用，將使教學 過程更加形象、具體，可以達到事半功倍的效果。醫(yī)學和 藥學傳統(tǒng)的教學方法以講授式、討論式、啟發(fā)式、情景式、 “一主三學”等方法為主住m,一定程度上均無法擺脫教學 過程受時間、空間、內容、手段等條件的限制，教學成果的 直觀性尚有欠缺皿。綜合運用醫(yī)學圖像3D可視化、3D打 印、VR技術、AR技術,將有效地彌補現(xiàn)有的教學體系的缺 陷,增加教學案例多樣性、提高師生互動性、增強學生的操 控性，繼而提高教學效果g。此外，3D可視化、3D打印、 VR技術、AR技術對于中藥學、藥劑學、藥物分析學、臨床 藥學等藥學課程的實訓作用也很大⑴，可以突出培養(yǎng)藥學 學生的主動學習能力、利用信息資源能力、解決問題能力， 并能通過逼真的虛擬實驗環(huán)境，減少實訓成本，提升實訓 的教學效果。這四種技術的綜合使用，將給醫(yī)學和藥學教 學帶來更廣闊的發(fā)展空間，其在深化教學改革方面的意義 和應用，必將深遠而廣闊。


3科學研究應用
在醫(yī)學應用中，不同模態(tài)的圖像提供不互相覆蓋的結 構互補信息，例如，CT提供骨信息, MRI提供軟組織信息， 采用邏輯運算可以實現(xiàn)二者圖像的合成。在醫(yī)學應用中 三維醫(yī)學圖像的繪制一是要突出特定診斷所需要的信息， 忽略無關信息；二是要具備高度的可交互性，即需要一些 常見的操作,如旋轉、放大、移動等，還需要具有實時性，或 至少是在一個可以忍受的響應時間內完成;這意味著在醫(yī) 學圖像繪制中，可視化繪制時間短的方法將更為實用，而 且醫(yī)學圖像的3D可視化可能使科學研究方式發(fā)生根本性 變化。

臨床上，肝膽管結石患者容易復發(fā)，肝內膽管走行多 變,狹窄位置不明確，患者手術前很難確切定位，現(xiàn)有的內 鏡逆行胰膽管造影(ERCP)、磁共振胰膽管成像(MRCP)、 B超、CT等檢查手段都不能完成理想的診斷。因此，在確 定診治方案時存在一定的難度，導致患者術后殘石率高， 故復雜性、多發(fā)性肝膽管狹窄并結石患者常需多次、反復 手術，給患者帶來的痛苦極大。為了解決這一難題，科研 人員經(jīng)過醫(yī)學圖像3D可視化、VR技術、AR技術的聯(lián)合應 用，最終獲得了高清度結石、擴張或狹窄膽管的圖像數(shù)據(jù)， 使肝膽管結石手術病灶明確、手術方式更加精確；并且醫(yī) 生術前可以進行虛擬手術練習，擬定精準的治療方案，使 臨床治療效果大大提高⑴。

骨科患者的個體化置入物研發(fā)是臨床上一個重要的 發(fā)展方向，骨科臨床上常用的假體、鋼板及螺釘?shù)裙强浦?人物都是標準尺寸，可以滿足絕大部分患者的需要，但部 分患者因個體解剖結構差異或疾病的特異性，標準的內置 物并不能滿足治療的需求。因此，臨床上常常需要根據(jù)患 者的個體特征，在常規(guī)設計理念的基礎上，以醫(yī)學圖像3D 可視化、3D打印、VR技術、AR技術研發(fā)骨科假體和內置 物，參照患者的實際情況和特殊需求改進內置物與受區(qū)的 匹配度，以便符合解剖和生物力學的需求，滿足不同性別、 人種、職業(yè)、運動習慣的個體需要|I4-|5IO個體化骨科置入 物的研發(fā)可以保證其幾何形態(tài)的完美匹配，理論上能夠保 證良好的穩(wěn)定性，改善骨長入，延長假體壽命。針對骨腫 瘤患者，尤其是骨盆惡性骨腫瘤，醫(yī)師要針對病變范圍進 行切除與重建，針對殘留骨盆結構進行個體化半骨盆假體 的研發(fā)設計，將達到個體化假體與殘留結構完美匹配的目 的，可實現(xiàn)患者術后功能上的最優(yōu)化重建。

醫(yī)學圖像3D可視化、3D打印、VR技術、AR技術目前 在臨床上的科研方向還集中表現(xiàn)在研發(fā)新型手術器械、個 體化植入物、功能器官等方面。臨床上很多手術器械的規(guī) 格是固定的，例如泌尿系統(tǒng)疾病的患者，使用的輸尿管支 架管都是標準化長度的，沒有根據(jù)患者的體型分型，造成 很多患者置管后膀胱不適。輔以醫(yī)學圖像3D可視化、3D 打印、VR技術、AR技術，將為患者量身研發(fā)出完全符合特 定患者輸尿管長度、寬度的輸尿管支架管，提高臨床療 效。對于腎臟腫瘤患者來說，這四種技術的綜合應用，還 能夠將腎臟腫瘤的動脈、靜脈、集合系統(tǒng)以不同的顏色展 示，清晰地顯示出病變與周圍血供及集合系統(tǒng)的關系，大 大提高手術過程的精準率偵。

此外，醫(yī)學圖像3D可視化、3D打印、VR技術、AR技術 在藥學科學研究中的應用亦前景廣闊⑴。2015年8月3 日，F(xiàn)DA批準了全球第一個應用3D打印技術的新藥—— 左乙拉西坦3D打印片劑，這在本質上是釋藥系統(tǒng)的創(chuàng) 新，即藥物制劑技術、輔料、給藥裝置、制劑設備、檢測設 備、包裝材料等方面創(chuàng)新的結合。新藥研發(fā)過程周期長、 成本高、風險高，綜合運用3D可視化、3D打印、VR技術、 AR技術，可以打印、虛擬具有活性的組織器官，在此基礎 上進行的新藥實驗，不僅能夠縮短新藥研發(fā)周期，節(jié)省研 發(fā)費用，還能大大降低風險性。

4臨床應用
4.1用于患者的臨床診斷
醫(yī)學圖像3D可視化、3D打 印、VR技術、AR技術的綜合運用，不僅能夠重現(xiàn)病灶的立 體形態(tài)，而且醫(yī)生可以從不同角度掌握病灶的特性，提高 臨床診斷的準確性皿。

以虛擬內窺鏡為例，即是綜合應用醫(yī)學圖像3D可視 化、VR技術、AR技術的非侵入式診療方法。虛擬內窺鏡 沒有感染、出血等不良后果，可以重復使用、進行動態(tài)病理 分析，而且可以檢查光學內窺鏡不能檢查的人體組織，如 腦、內耳、脊髓管、血管等。虛擬內窺鏡結合了光學內窺 鏡、CT、MRI等斷層成像的優(yōu)點，利用CT、MRI、超聲波獲 得二維斷層結構數(shù)據(jù),進行3D可視化處理,形成3D可視化 圖像，結合VR技術、AR技術，可以展示連續(xù)的三維器官內 腔，并且可以沿著這個虛擬的內部空腔做飛行觀察，模擬傳 統(tǒng)的內窺鏡檢查過程在檢測人體組織結構時，虛擬內窺 鏡采集的圖像可以制作成視頻繼續(xù)觀察。在用于心血管疾 病的診斷中，虛擬內窺鏡可以檢查血管管徑的測量參數(shù)、血 液流量、血流速度及管腔內的表象。此外,虛擬耳鼻喉鏡、虛 擬腸胃鏡、虛擬支氣管鏡在臨床診斷上亦前景廣闊。

4.2用于患者術前制訂手術方案
對于臨床上復雜的手 術，醫(yī)生可以借助醫(yī)學圖像3D可視化、3D打印、VR技術、 AR技術，充分暴露患者的病灶及其與周圍血管、神經(jīng)的關 系，根據(jù)患者的個體特征制訂對應的手術方案。醫(yī)生術前制 訂手術方案的基礎是對患者的術前評估，醫(yī)學圖像3D可視 化、3D打印、VR技術、AR技術綜合運用將得到直接、精確的 手術區(qū)域解剖結構的三維物理模型，借此可以協(xié)助醫(yī)師做出 更準確的判斷，以便制訂更加詳細的手術方案”樵此外，術 前醫(yī)生能夠以實物模型進行反復的操作練習,這對于指導個 體化手術,縮短手術時間,提高手術成功率至關重要。


4.3手術過程中導航
臨床上，患者手術過程中難免會 出現(xiàn)難以預料的情況使得手術方案無法實施;預先制定的 完善的手術方案在應用于具體患者時，也會出現(xiàn)預后效果 不理想的狀況；輔以醫(yī)學圖像3D可視化、3D打印、VR技 術、AR技術的術中導航，將確保手術方案順利、精確地實 施［I5-6IO例如，骨科患者內固定器械、手術螺釘?shù)闹萌氤?常借助于配套的瞄準器械、模板系統(tǒng)或X線影像，但內固 定置入是否精確、患者預后是否良好，常常因醫(yī)生的經(jīng)驗 而差別很大,置入過程中以醫(yī)學圖像3D可視化、VR技術、 AR技術作為術中導航，再加上3D打印技術的輔助，能夠 使個體化內固定模板與特定病例實體骨骼完全匹配，患者 的內固定置入將更加精準，還可以有效減少醫(yī)患在術中放 射線暴露的時間，最大程度地提高患者的療效。此外，骨 科手術過程中上述四種方式結合開展的術中導航，還可以 為復雜骨折的復位、骨折畸形愈合、矯形截骨的大小及角 度等提供有效的幫助。

腦部腫瘤患者進行放射治療時，顱骨上需要穿孔，再 將放射性同位素準確地置于顱內病灶位置，手術過程中要 保證同位素射線治療效果好、不傷及正常組織。由于人腦結構復雜，在不打開顱骨的情況下，要達到上述要求難度 很大。利用醫(yī)學圖像3D可視化、VR技術、AR技術，就可 以在重構出的人腦內部結構三維圖像基礎上，計算機模擬 顱骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置、等劑量線等， 設計并篩選最佳方案；手術過程中，亦可以在屏幕上監(jiān)測 整個流程，使醫(yī)生們做到“心中有數(shù)”，大大提高了手術的 成功率［l8-|,Jo


4.4提高醫(yī)患溝通效果
醫(yī)患溝通的關鍵之處在于能夠讓患者或患者家屬了解、理解醫(yī)生治療方案選擇的依據(jù)， 醫(yī)學圖像3D可視化、3D打印、VR技術、AR技術的綜合運 用將使術前醫(yī)生與患者的溝通變得更加容易，患者對病情 和手術方案的理解程度將會明顯提高。醫(yī)生與患者溝通 的很多內容專業(yè)性很強,如CT、MRI的檢查結果，手術方 案的選擇依據(jù)等，即便醫(yī)生以很詳細的方式與患者溝通介 紹，患者的理解程度仍然很低,綜合運用上述技術,把患者 的病變大小、病變與周圍組織和血管的關系以很精確的方 式展示在患者面前，不但提高了醫(yī)生對手術成功的把握 度，而且有利于向患者說明規(guī)劃的手術切除范圍、需要規(guī) 避的血管和手術中的難點，更加有利于提高患者對病情和 手術方案的理解程度，增加醫(yī)患之間的溝通效率，患者對 于治療過程中和手術過程中可能出現(xiàn)的特異性并發(fā)癥的 理解程度將提高，從而可以減少或避免醫(yī)療糾紛的發(fā)生。4.5遠程醫(yī)療利用通訊技術、計算機及網(wǎng)絡環(huán)境，醫(yī)療機 構之間可以實現(xiàn)CT、MRI、超聲等圖像數(shù)據(jù)的遠程傳送和 數(shù)據(jù)共享,借助醫(yī)學圖像3D可視化、VR技術、AR技術的綜 合運用，可以實現(xiàn)異地、交互式的指導、檢查、診斷、治療 等醫(yī)療會診的內容,最終達到遠程放射計劃與治療、遠程手 術、遠程醫(yī)學培訓等遠程醫(yī)療的目的,這尤其適用于偏遠地 區(qū)的危重患者和戰(zhàn)爭中傷病員的救治,當?shù)蒯t(yī)療條件無法及 時處理時,這種方式將解決患者的一系列就醫(yī)問題。

目前，醫(yī)學圖像3D可視化、VR技術、AR技術正向分 布式協(xié)同可視化的方向發(fā)展，分布式協(xié)同可視化可以使外 科手術專家與現(xiàn)場手術醫(yī)生之間開展協(xié)同交互式操作、分 析醫(yī)學三維模型,完成異地協(xié)同手術。由于遠程醫(yī)療系統(tǒng) 中的交互式操作比較復雜，對醫(yī)學圖像3D可視化體繪制 和顯示有更高的技術要求。具體實施時，可以考慮在并行 分布式網(wǎng)絡計算構架下，采用服務器-客戶機模型結構,使 用JAVA、VRML、OpenGL等編程工具來實現(xiàn)基于Web的醫(yī) 學圖像3D可視化。分布式協(xié)同可視化在遠程醫(yī)療中的應 用實例是TelelnViV。系統(tǒng)，通過支持TCP/IP點對點之間通 訊協(xié)議,TelelnViVo利用Internet網(wǎng)絡環(huán)境，對CT、MRI、PET 等數(shù)據(jù)進行實時協(xié)同可視化操作，最終達到遠程放射計劃 與治療、遠程手術、遠程醫(yī)學培訓等遠程醫(yī)療的目的。此 外，在醫(yī)學圖像3D可視化、VR技術、AR技術等支持下，美 國武裝部隊已經(jīng)研發(fā)出高級創(chuàng)傷救治技術模擬訓練系統(tǒng)、 天花接種模擬訓練系統(tǒng)、胸部創(chuàng)傷救治模擬訓練系統(tǒng)、環(huán) 甲軟骨切開術模擬訓練系統(tǒng)、VR Demo精神運動技術訓練 系統(tǒng),實現(xiàn)了遠程醫(yī)學訓練、醫(yī)學實驗等遠程醫(yī)療的內容。

5小結
隨著我國醫(yī)療改革的不斷深入，醫(yī)療科技水平的不斷 發(fā)展，醫(yī)學圖像3D可視化、3D打印、VR技術、AR技術將 被更廣泛的運用到醫(yī)學和藥學的教育、科研、日常工作當 中。目前,我國醫(yī)學圖像3D可視化、3D打印、VR技術、AR 技術在醫(yī)學和藥學各領域中的應用尚處于探索過程中，需 要建立政府、醫(yī)療機構、醫(yī)務人員、患者等多方參與、共同 協(xié)作的模式；這不僅能夠充分利用現(xiàn)有的醫(yī)療資源，打破 醫(yī)療資源區(qū)域的局限性，更能夠從醫(yī)學和藥學教育、科研、 臨床三方面促進精準醫(yī)療的發(fā)展，進一步建設與完善我國 的醫(yī)療服務體系。