醫(yī)學(xué)圖像診療向?qū)г诋?dāng)今的醫(yī)學(xué)界已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。以后的科技的發(fā)展將幫助醫(yī)師們提高診斷效果。醫(yī)師們可通過(guò)定量分析與仿真模擬技術(shù)來(lái)制定治療計(jì)劃和外科手術(shù)。這種定量醫(yī)學(xué)技術(shù)的最基本要求是創(chuàng)建高仿真的患者3D模型，這些模型可以真實(shí)的反映人體的構(gòu)造。我們展示基于amira?軟件的3D幾何重建和可視化工作中的一些個(gè)案研究，以此來(lái)示范醫(yī)學(xué)中的患者幾何模型的效果。

1、介紹

隨著技術(shù)方法的改進(jìn)，醫(yī)學(xué)通過(guò)新的透視技術(shù)不斷沖破醫(yī)療技術(shù)的局限。治療變得越來(lái)越復(fù)雜，而且要求精準(zhǔn)，這只能通過(guò)詳細(xì)地計(jì)劃甚至仿真才能達(dá)到。CT 和MR掃描儀以高辨率圖像棧的形式生產(chǎn)數(shù)據(jù)。然而, 用一堆二維切片圖像表達(dá)復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系是非常困難的。掃描數(shù)據(jù)本身就是三維的，所以觀看這些數(shù)據(jù)最普通的方法就是計(jì)算建立3D結(jié)構(gòu)和用真三維來(lái)顯示數(shù)據(jù)。如果要進(jìn)行數(shù)字模擬或數(shù)字定量，用表面網(wǎng)格來(lái)描繪實(shí)物重要部分結(jié)構(gòu)的將變得非常重要。

3D可視化和數(shù)據(jù)分析技術(shù)在去年已經(jīng)取得很大的改進(jìn)，一些相關(guān)軟件和3D顯示程序也很容易使用。看一下該領(lǐng)域中的一些研究人員的吸引人的成果。人們對(duì)真三維可視化的興趣不斷增長(zhǎng)?？梢暬粌H僅局限于在二維面（如：平常的顯示器）上顯示三維模型，除此以外還可通過(guò)有立體感的圖像來(lái)支持人類視覺(jué)系統(tǒng)的完整的空間感知。

在這一項(xiàng)研究中，我們示范了三維可視化的重要性和沖擊力，通過(guò)三種不同的應(yīng)用（高溫治療計(jì)劃、面部整容手術(shù)計(jì)劃和血管網(wǎng)的研究）來(lái)示范幾何重建技術(shù)。我們簡(jiǎn)要的描述一下每個(gè)應(yīng)用，并且討論一下在每個(gè)應(yīng)用中真三維可視化所帶來(lái)的不同好處。

２、方法和工具

本文中研究的所有方案都已被ZIB執(zhí)行過(guò)，并且在amira?系列軟件上實(shí)現(xiàn)。amira?是一個(gè)通過(guò)讀取3D醫(yī)學(xué)影像來(lái)建模、可視化的軟件，不僅簡(jiǎn)單易用，而且支持許多文件格式，包括DICOM輸入。amira?軟件通過(guò)不同的觀察手段來(lái)觀察體數(shù)據(jù)，如：切片觀察、等值面和直接體繪制等。首先，用一些數(shù)字濾波器（digital filters）作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。接著將對(duì)獲得的幾何模型來(lái)分割。amira?軟件的分割編輯欄中有一系列的手動(dòng)、交互式和自動(dòng)的分割工具，如：閥值選擇(thresholding) 、區(qū)域增強(qiáng)（region—growing）、智能剪（intelligent scissors） 內(nèi)插（interpolation.）等。不同階段和方向的分割都可以在3D顯示器中顯示。

用分割的結(jié)果，建立表面三角網(wǎng)來(lái)表現(xiàn)模型。當(dāng)然可以進(jìn)一步的操作處理，如：簡(jiǎn)化、平滑和量測(cè)等。表面三角網(wǎng)也可被轉(zhuǎn)化成四面體格來(lái)進(jìn)行有限元模擬。另外amira?系列軟件具有卓越的表現(xiàn)力。除了產(chǎn)生圖像快照和3D動(dòng)畫(huà)直接輸出，amira?軟件可在真三維立體顯示驅(qū)動(dòng)中觀察醫(yī)學(xué)影像。

3、高溫治療計(jì)劃

   使用微波灼燒腫瘤細(xì)胞，來(lái)削弱細(xì)胞活性，以達(dá)到治療腫瘤的目的。操作人員用無(wú)線電發(fā)射器來(lái)控制微波。在這個(gè)過(guò)程中最具挑戰(zhàn)性的是設(shè)定最優(yōu)化參數(shù)，剛好使腫瘤區(qū)域被灼燒，同時(shí)盡量避免周圍組織遭到破壞。這些都是儀器操作人員來(lái)控制的。所以，必須要有病患的骨骼和軟組織模型來(lái)模擬微波的傳播。病患模型生成和使用模型的步驟包括：圖像分割、標(biāo)記圖像數(shù)據(jù)、重建、表面后處理、體格生成、有限元模擬和多通道顯示技術(shù)。同時(shí)，三維模型也可用來(lái)觀察病患的體溫分布。醫(yī)生可用肉眼看到被治療區(qū)域是否合適。更重要的是可以進(jìn)行鄰域鑒定，以避免重要組織被影響。
 
 

 圖1：左圖：病患和治療儀；右圖：基于熱傳遞研究的人體切割模型

4、面部整容手術(shù)計(jì)劃

第二個(gè)是面部整容手術(shù)中頜部調(diào)整的例子。這一操作考慮手術(shù)切開(kāi)的位置和最后頜的位置。所以外科醫(yī)生一定要考慮手術(shù)后的美觀程度。因此要用CT 掃描數(shù)據(jù)來(lái)建立頜骨和面部軟組織的三維模型。外科醫(yī)生可以在三維模型中定義切線和重新定位頜骨的位置。通過(guò)復(fù)雜的有限元模擬，面部的軟組織變形結(jié)果就會(huì)顯示出來(lái)。產(chǎn)生一個(gè)面部的術(shù)后效果圖。這樣便于醫(yī)生和患者之間的交流。可以給患者一個(gè)對(duì)比術(shù)前和術(shù)后的效果。如果沒(méi)有面部的3D模型，是很難達(dá)到這樣的效果。 #p#page_title#e#
 
 

圖2：左圖：頭部頜骨模型；     右圖：術(shù)后效果預(yù)測(cè)圖

5、血管網(wǎng)的研究

使用 3D立體模型的另外的一個(gè)例子就是模擬人類的皮膚上的毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)。這里,研究人員對(duì)皮膚上的毛細(xì)血管的血流量和流動(dòng)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)模型感興趣。

為了達(dá)到這目的，用高辨識(shí)率 CT掃描 圖像來(lái)建立皮質(zhì)組織上的毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)模型。用血管段長(zhǎng)和直徑等主要參數(shù)來(lái)繪制一個(gè)曲線圖?；谶@樣的表示方法,研究員能模擬非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)血流量和擴(kuò)散。另外，曲線圖表示法允許使用者交互式操作、顯示和探究血管網(wǎng)絡(luò), 在視覺(jué)上比較個(gè)別患者的血管構(gòu)造, 來(lái)重建數(shù)學(xué)模型。
 
 

圖三：左圖：患者三維仿真圖         右圖：部分（1mm3）人體皮質(zhì)組織毛細(xì)

（紅色區(qū)域是需高溫治療的區(qū)域）    血管網(wǎng)絡(luò)圖(顏色代表不同的血管半徑)

6 結(jié)論

我們簡(jiǎn)單描述了三個(gè)醫(yī)學(xué) 3D立體可視化，數(shù)據(jù)分析和幾何重建的應(yīng)用。在每個(gè)例子中，我們已經(jīng)說(shuō)明真三維模型和立體觀測(cè)的重要性。我們可以得出三維可視化技術(shù)有如下特征：

l  觀察復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)

l  真實(shí)自然再現(xiàn)空間關(guān)系

l  模擬結(jié)果的視覺(jué)信息（無(wú)論對(duì)專家還是非專家）

l  相應(yīng)數(shù)據(jù)集的視覺(jué)比較

l  重建模和模擬的視覺(jué)仿真

在這篇文章中我們只說(shuō)了現(xiàn)有3D可視化不同應(yīng)用方面的一小部分的例子。我們相信，在不久的將來(lái) 3D立體病患模型將會(huì)扮演醫(yī)學(xué)的研究的重要角色, 而且恐怕會(huì)成為臨床診療非常重要的手段。