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(shù)學院機電工程學院

近十余年來，醫(yī)學飛速發(fā)展,，相關(guān)醫(yī)學術(shù)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(zhuǎn)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(chǔ)醫(yī)學某些領(lǐng)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(guān)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(jié)構(gòu),、形態(tài)及其跟周圍組織的關(guān)系,，由 于二維圖像無法提供人體內(nèi)部組織,、器官的結(jié)構(gòu)，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(shù),、虛擬現(xiàn)實(virtual reality, VR)、增強現(xiàn)實 (augment reality ,AR),、3D打印技術(shù),，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(yīng)用3個角度,，闡述醫(yī)學圖像3D 可視化、3D打印,、VR技術(shù),、AR技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)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(shù)(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(zhuǎn)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(shù)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(fù)雜生命系統(tǒng)及疾病的了解3,。AR技術(shù)是在VR技術(shù) 基礎(chǔ)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(shù)是集計算機輔助設(shè)計 (CAD)、計算機輔助制造(CAM)、數(shù)控技術(shù),、激光技術(shù),、高 分子材料等領(lǐng)域為一體的全新快速成型技術(shù)w。

2醫(yī)學教學應(yīng)用
醫(yī)學圖像3D可視化,、3D打印,、VR技術(shù)、AR技術(shù)的互 相結(jié)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(shù),、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(luò)技術(shù)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(lǐng)域快速傳播的時代背景下,，多種教學模 式、教學手段結(jié)合應(yīng)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(shù),、AR技術(shù)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(nèi)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(shù),、AR技術(shù),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(shù)、AR技術(shù)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(xùn)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(xùn)成本，提升實訓(xùn) 的教學效果,。這四種技術(shù)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(yīng)用,，必將深遠而廣闊,。


3科學研究應(yīng)用
在醫(yī)學應(yīng)用中，不同模態(tài)的圖像提供不互相覆蓋的結(jié) 構(gòu)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(yīng)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(guān)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(zhuǎn),、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(yīng)時間內(nèi)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(jié)石患者容易復(fù)發(fā)，肝內(nèi)膽管走行多 變,狹窄位置不明確,，患者手術(shù)前很難確切定位,，現(xiàn)有的內(nèi) 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(dǎo)致患者術(shù)后殘石率高， 故復(fù)雜性,、多發(fā)性肝膽管狹窄并結(jié)石患者常需多次,、反復(fù) 手術(shù)，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(shù),、AR技術(shù)的聯(lián)合應(yīng) 用，最終獲得了高清度結(jié)石,、擴張或狹窄膽管的圖像數(shù)據(jù),， 使肝膽管結(jié)石手術(shù)病灶明確、手術(shù)方式更加精確,；并且醫(yī) 生術(shù)前可以進行虛擬手術(shù)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(jié)構(gòu)差異或疾病的特異性，標準的內(nèi)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(shè)計理念的基礎(chǔ)上，以醫(yī)學圖像3D 可視化,、3D打印,、VR技術(shù)、AR技術(shù)研發(fā)骨科假體和內(nèi)置 物,，參照患者的實際情況和特殊需求改進內(nèi)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(jié)構(gòu)進行個體化半骨盆假體 的研發(fā)設(shè)計,，將達到個體化假體與殘留結(jié)構(gòu)完美匹配的目 的，可實現(xiàn)患者術(shù)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(shù),、AR技術(shù)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(shù)器械,、個 體化植入物、功能器官等方面,。臨床上很多手術(shù)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(shù)、AR技術(shù),，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(shù)的綜合應(yīng)用,，還 能夠?qū)⒛I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(guān)系，大 大提高手術(shù)過程的精準率偵,。

此外,，醫(yī)學圖像3D可視化、3D打印,、VR技術(shù),、AR技術(shù) 在藥學科學研究中的應(yīng)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(yīng)用3D打印技術(shù)的新藥—— 左乙拉西坦3D打印片劑,，這在本質(zhì)上是釋藥系統(tǒng)的創(chuàng) 新，即藥物制劑技術(shù),、輔料,、給藥裝置、制劑設(shè)備,、檢測設(shè) 備,、包裝材料等方面創(chuàng)新的結(jié)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(shù)、 AR技術(shù),，可以打印,、虛擬具有活性的組織器官，在此基礎(chǔ) 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(yīng)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(shù),、AR技術(shù)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(nèi)窺鏡為例，即是綜合應(yīng)用醫(yī)學圖像3D可視 化,、VR技術(shù),、AR技術(shù)的非侵入式診療方法。虛擬內(nèi)窺鏡 沒有感染,、出血等不良后果,，可以重復(fù)使用、進行動態(tài)病理 分析,，而且可以檢查光學內(nèi)窺鏡不能檢查的人體組織,，如 腦、內(nèi)耳,、脊髓管,、血管等。虛擬內(nèi)窺鏡結(jié)合了光學內(nèi)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(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),進行3D可視化處理,形成3D可視化 圖像，結(jié)合VR技術(shù),、AR技術(shù),，可以展示連續(xù)的三維器官內(nèi) 腔，并且可以沿著這個虛擬的內(nèi)部空腔做飛行觀察,，模擬傳 統(tǒng)的內(nèi)窺鏡檢查過程在檢測人體組織結(jié)構(gòu)時,，虛擬內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)前制訂手術(shù)方案
對于臨床上復(fù)雜的手 術(shù),，醫(yī)生可以借助醫(yī)學圖像3D可視化、3D打印,、VR技術(shù),、 AR技術(shù)，充分暴露患者的病灶及其與周圍血管,、神經(jīng)的關(guān) 系,，根據(jù)患者的個體特征制訂對應(yīng)的手術(shù)方案,。醫(yī)生術(shù)前制 訂手術(shù)方案的基礎(chǔ)是對患者的術(shù)前評估，醫(yī)學圖像3D可視 化,、3D打印,、VR技術(shù)、AR技術(shù)綜合運用將得到直接,、精確的 手術(shù)區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)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(shù)方案”樵此外,，術(shù) 前醫(yī)生能夠以實物模型進行反復(fù)的操作練習,這對于指導(dǎo)個 體化手術(shù),縮短手術(shù)時間,提高手術(shù)成功率至關(guān)重要,。


4.3手術(shù)過程中導(dǎo)航
臨床上，患者手術(shù)過程中難免會 出現(xiàn)難以預(yù)料的情況使得手術(shù)方案無法實施;預(yù)先制定的 完善的手術(shù)方案在應(yīng)用于具體患者時,，也會出現(xiàn)預(yù)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(shù),、AR技術(shù)的術(shù)中導(dǎo)航，將確保手術(shù)方案順利,、精確地實 施［I5-6IO例如,，骨科患者內(nèi)固定器械、手術(shù)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(nèi)固 定置入是否精確、患者預(yù)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(shù)、 AR技術(shù)作為術(shù)中導(dǎo)航,，再加上3D打印技術(shù)的輔助,，能夠 使個體化內(nèi)固定模板與特定病例實體骨骼完全匹配，患者 的內(nèi)固定置入將更加精準,，還可以有效減少醫(yī)患在術(shù)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(shù)過程中上述四種方式結(jié)合開展的術(shù)中導(dǎo)航,，還可以 為復(fù)雜骨折的復(fù)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(nèi)病灶位置,，手術(shù)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(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)、AR技術(shù),，就可 以在重構(gòu)出的人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維圖像基礎(chǔ)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(shè)計并篩選最佳方案,；手術(shù)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(shù)的 成功率［l8-|,Jo


4.4提高醫(yī)患溝通效果
醫(yī)患溝通的關(guān)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(shù)、AR技術(shù)的綜合運 用將使術(shù)前醫(yī)生與患者的溝通變得更加容易,，患者對病情 和手術(shù)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(nèi)容專業(yè)性很強,如CT、MRI的檢查結(jié)果,，手術(shù)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(shù),把患者 的病變大小,、病變與周圍組織和血管的關(guān)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(shù)成功的把握 度，而且有利于向患者說明規(guī)劃的手術(shù)切除范圍,、需要規(guī) 避的血管和手術(shù)中的難點,，更加有利于提高患者對病情和 手術(shù)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(shù)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(shù),、計算機及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,，醫(yī)療機 構(gòu)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(shù),、AR技術(shù)的綜 合運用，可以實現(xiàn)異地,、交互式的指導(dǎo),、檢查、診斷,、治療 等醫(yī)療會診的內(nèi)容,最終達到遠程放射計劃與治療,、遠程手 術(shù)、遠程醫(yī)學培訓(xùn)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(shù),、AR技術(shù)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(shù)專家與現(xiàn)場手術(shù)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(shù),。由于遠程醫(yī)療系統(tǒng) 中的交互式操作比較復(fù)雜,，對醫(yī)學圖像3D可視化體繪制 和顯示有更高的技術(shù)要求。具體實施時,，可以考慮在并行 分布式網(wǎng)絡(luò)計算構(gòu)架下,，采用服務(wù)器-客戶機模型結(jié)構(gòu),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(yīng) 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(luò)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(shù),、遠程醫(yī)學培訓(xùn)等遠程醫(yī)療的目的,。此 外，在醫(yī)學圖像3D可視化,、VR技術(shù),、AR技術(shù)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(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、 天花接種模擬訓(xùn)練系統(tǒng),、胸部創(chuàng)傷救治模擬訓(xùn)練系統(tǒng),、環(huán) 甲軟骨切開術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、VR Demo精神運動技術(shù)訓(xùn)練 系統(tǒng),實現(xiàn)了遠程醫(yī)學訓(xùn)練,、醫(yī)學實驗等遠程醫(yī)療的內(nèi)容。

5小結(jié)
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(shù),、AR技術(shù)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(shù),、AR 技術(shù)在醫(yī)學和藥學各領(lǐng)域中的應(yīng)用尚處于探索過程中，需 要建立政府,、醫(yī)療機構(gòu),、醫(yī)務(wù)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(shè)與完善我國 的醫(yī)療服務(wù)體系,。