数字化虚拟人体器官的研究进展

数字化虚拟人体器官的研究进展
杨芷菁;柯泽楷;连国云;刘志刚
【摘要】数字化虚拟人体器官已成为医学领域中最活跃的研究课题之一,在病情诊断和医学教学中具有广阔的应用前景.本文重点从人体的头颈部、胸部、腹部及神经系统4个方面回顾数字化虚拟的国内外研究现状,并对发展前景做出展望.数字化虚拟人体器官研究有助于提高人类对自身的认识,促进现代医学发展,并为医学研究和临床应用提供技术支撑.%Digitized virtual human organ has become one of the most active topics in medicine research fields and is widely used in disease diagnosis and medical teaching. This paper focuses on the current research situation of the digitized virtual human organs based on human body' s head and neck section, breast section, stomach section and nerve section, respectively. Digitized virtual human organ research contributes to the understanding of our organs, the promotion of the medical development and the technical support for medicine research and clinical applications.
【期刊名称】《北京生物医学工程》
【年(卷),期】2012(031)003
【总页数】6页(P309-314)
【关键词】数字化技术;虚拟人体器官;三维重建
【作者】杨芷菁;柯泽楷;连国云;刘志刚
【作者单位】深圳大学医学院,广东深圳,518060;深圳大学医学院,广东深
圳,518060;深圳大学医学院,广东深圳,518060;深圳大学医学院,广东深圳,518060【正文语种】中文
【中图分类】R318.04
0 引言
数字化虚拟人体器官已经成为医学、解剖学中一个重要的研究领域，它在医学科学研究、教育事业及临床工作中具有广阔的应用前景，包括药物的研制、外科手术的“开窗”、手术术前规划，以及人体形态学的教学［1-3］。

数字化虚拟人体器官是依靠计算机和图像处理技术重构出能够调控的、可视的、虚拟人体器官形态的三维模型。

它是将成千上万个器官断面数据信息在计算机里重建成器官的三维立体结构［4-5］。

重构出的三维模型能准确地描述组织及器官的形态与功能，最终获得器官信息的精确模拟。

从技术角度而言，它主要涉及医学、图像处理、计算机等学科知识。

对人体器官的虚拟三维重构，能够为医学及生命科学的研究和应用提供基础与技术支撑［6］，因此，对该领域的研究现状及进展做全面详细的回顾和分析显得很有必要。

1 数字化虚拟人体器官的研究现状
1.1 头颈部
中山大学附属第二医院整形外科、颅颌面外科中心的杨斌等［7］应用医学三维图像可视化技术建立了多媒体微机的颅颌面外科立体可视化、三维诊断分析、整形手术模拟、计算机辅助手术系统以及相关技术方法。

他们对10名正常青年志愿者和30名颅面畸形患者进行研究，完成了颅面结构的立体可视化。

得到的三维可视化
模型图像可以动态旋转，满足不同角度观察分析的需要，可在不同部位进行“电子解剖”，显示深层结构，测量分析颅面特征。

该研究有助于对颅面软组织、骨组织结构的研究。

刘光久等［8］利用首例中国数字化可视人体数据集(Chinese visible human，CVH)中第3颈椎上缘至第7颈椎下缘的连续薄层断面图像，借助3DDOCTOR软件，重建了第3～7颈椎、椎间盘、脊髓、颈神经、椎动脉、颈长肌、喉(气管)、
咽(食管)、颈总动脉(颈内、外动脉)、颈内静脉、迷走神经和胸锁乳突肌等解剖结
构的位置关系，以及颈前入路相关结构的三维可视化模型。

山西医科大学第一临床医学院武志强等［9］利用虚拟中国人女性1号数据集，并借助Amira 4.1和3D-DOCTOR软件重建了颞骨、骨迷路、面神经主干、前庭蜗神经主干等精细结构的可视化模型，但该模型尚不能满足一些微细解剖结构的研究。

Haobing Wang等用Amira软件对颞骨进行了三维重建。

模型数据选自一个有档案记录的14岁男性尸体［10］。

对尸体用福尔马林固定，以5%三氯乙酸进行脱钙处理，切片厚度为20μm，将图像数据导入到Amira 3.1，进行三维重建。

重建的模型包含人类的内耳、中耳、外耳等不同解剖学结构的25个表面模型，且模型可以任意旋转，每个结构可以单独观察，也可放入整体观察。

观察者可通过调节每个结构的透明度来观看各个结构的重叠情况。

此外，他们还研发了一种方便观看的3-D软件，大大提高了可及性和实用性的教学模式。

张宇等［11］选择合适的尸体标本经固定、动脉灌注、包埋、数据采集后，获得
虚拟人数据集，然后用Adobe Photoshop和3D-Doctor软件，重建了下颌牙列和下颌骨三维线框模型和实体模型。

重建的三维模型形态逼真，可任意角度观察，通过层控制、实体变换和布尔运算，可以改变显示的部位和效果。

1998年，Rudman等［12］在美国女性可视人头颈部冷冻切片的基础上，重建
了鼻腔、鼻窦三维图像，并用线性弹性模型构建了虚拟鼻腔组织器官的生物物理模
型。

该模型实现了在手术器械不同大小压拉力作用下，鼻腔软组织器官表现出较逼真的不同程度反馈力，有助于年轻医师理解鼻腔、鼻窦的三维解剖结构和进行功能性鼻内镜手术训练。

此后，有研究者对数字化耳鼻咽喉建模的工艺进行了改进，包括:头颈部动脉系统灌注将填充剂改为草绿色，明胶质量分数改为10%，使得颈内、颈外动脉，小血管的分辨率更高，让血管和黏膜明显地区分开。

宋林等［13］从首例中国可视人数据集中提取全牙的断层图像125层，层间距
0.5 mm，观察牙的形态结构，利用MedView1.0软件进行三维重建。

重建的模型能清晰显示牙及其周围解剖结构的形态及毗邻关系和牙在牙槽骨内的位置和方向，提供了原位牙的断层解剖研究方法和形态。

1.2 胸部
Jean-Marc Schleich等［14］从一个小于13周的胚胎中取出心脏，用乙醇脱水，并用石蜡包埋，以10μm厚度切割，对所得到的数据进行配准，后用Adobe PhotoshopTM软件对其进行处理获得模型。

该模型的体积可以在视觉上估计，
其内部可以用2维图像进行精确的插值。

郭燕丽等［15］通过首例中国数字化可视人体心脏部分的薄层断面输入SGI工作站，经数据分割、对位重建、平滑处理和三维显示等步骤，完成了对整体心脏及相关血管和心脏内部结构的重建。

重建的模型能清晰地显示心内结构，如大动脉瓣、房室间隔、房室口、房室瓣、肺静脉和下腔静脉入口处、肺动脉主干及分支、升主动脉、冠状动脉等的空间位置和毗邻关系。

重建的结构能够以多结构、多彩色实体模型方式显示，能任意搭配或总体显示。

所有结构均可在三维空间中绕任意轴旋转任意角度，对感兴趣的部位可进行放大，或用透明技术显示内部的结构位置。

该模型能按照不同要求，从不同角度对某一结构进行多角度、多方位的观察，为心脏疾病的影像学检查和心外科手术提供三维解剖学基础。

左一智等［16］用中国数字化可视人体数据集连续断面图像进行连续追踪观察和
图像配准，在包含肺的断面上分割肺静脉，通过阈值分割算法，对分割结果运用
3DMed软件进行三维重建。

重建出的肺静脉系统，可单独显示肺静脉系统的三维模型，也可同时显示肺和肺静脉以及肺内其他管道系统的三维模型，也能显示肺内各结构的空间位置和毗邻关系。

该三维模型显示的结构都可以移动、旋转、缩放，从而可以从任意角度观察这些结构。

1.3 腹部
陈刚等［17］采用中国可视化人的腹部断层图像数据，借助Amira三维可视化软件，对肝脏重要结构进行精确分割，联合运用表面重建与体重建的方法，重建出了数字虚拟肝脏(上腹部)系统，并赋予该系统多种交互功能。

重建的肝脏系统包括肝脏实质部分以及肝内外重要血管结构:门静脉、肝静脉、肝后段下腔静脉以及胆管
系统。

该模型具有任意移动、旋转、缩放、切割、多种多重显示、多种测量及一定的虚拟手术等功能。

重建的模型效果准确、逼真。

Stephen等［18］选用了27例肝肿瘤患者的肝，进行部分肝切除手术。

用电脑
断层摄影术提供了肝损害部分的大小，同时也很好地显示了门静脉支和肝静脉，可以更好地确定病变部位。

用GE Advantage Windows三维软件包，用CT进行了扫描，厚度为7mm，人工描绘每一片的轮廓，除了胆囊，但是包括了胆囊管和血管结构。

外科手术队提供了关于虚拟肝切除手术的解剖学方面信息，这使得做虚拟手术更加方便。

王洛夫等［19］用中国第一例男、女性数字化可视人体数据集，在VRM计算机平台上重建了人体肾脏及其周围结构的三维可视化模型。

虚拟可视化肾脏显示了肾脏内部结构(肾皮质、肾锥体、肾盏)以及肾动脉、肾静脉、输尿管、腹主动脉、下腔静脉、肝脏、胰腺等肾脏周围毗邻器官和血管的空间位置。

同时可以对该肾脏模型的三个轴面(冠状、矢状、水平位)进行实时、任意角度或方位的斜面和旋转式切割，且每个虚拟切割面均能显示肾脏内部的细微解剖结构和周边毗邻血管和器官，也能
对肾脏重要和感兴趣的部位进行随意的放大和缩小。

张绍祥等［20］利用中国首例女性数字化可视人数据集分割出肠道的轮廓数据，
并进行表面三维重建。

它是在普通 PC上完成消化道分割，在 HP xw9300 Workstation图像工作站上用Amira4.1.1-Win64进行三维重建，重建出了十二
指肠、空肠、回肠、盲肠、阑尾、结肠、直肠等肠道结构。

该模型能够实现缩放、旋转、任意角度切割，以及十二指肠、空肠和回肠、结肠等不同段单独或者整体显示，能够方便地观察人体肠道的走向和形态。

晋云等［21］利用中国首套女性数字化可视人体数据集，用Amira 4.1.1软件对
胰腺及其周围结构进行三维可视化建模。

该模型能够对胰腺的3个轴面及任意方
位剖面进行实时虚拟切割，每个虚拟切割面均能显示胰腺和周边毗邻的血管和器官，同时能对重要和感兴趣的部位进行随意的放大和缩小。

Miriam Klauß等［22］用16排多层螺旋CT对10个疑似胰腺癌的病人进行扫描，并自动进行三维重建。

重建的模型能进行血管的自动分析和不同器官的半自动分割。

在该模型中，可用一个MITK ReLiver软件对肝脏、肾脏、十二指肠、胃、胰腺及胰肿瘤进行分别分割与显示，也可将某个器官从模型中移走。

方驰华等［23］研究了脾切除术前的可视化仿真。

他们利用16排螺旋CT进行数据扫描，然后用自适应区域生长算法对CT序列图像进行分割和自动提取，再采用自行研发的图像处理软件对分割后的图像进行三维重建，最后导入FreeFom Modeling system中进行修饰、平滑。

重建的模型真实地再现了脾脏和周围重要
器官及管道的结构。

他们在此模型上进行了脾切除的仿真手术，手术效果接近实际手术。

李万冬等［24］采用第三军医大学推出的世界上第一套中国男性人体断层数据集，人工勾画出器官轮廓后，将胸部至盆部的数据输入计算机，用Photoshop 7.01
处理二维图像，Acdsee 6.0连续显示图片，3DSMAX处理后期贴图着色，进行三
维立体可视化重建。

重建的模型可以对人体腹腔各脏器的空间形态和立体位置关系进行三维观察，还可从任意角度和层面观察腹腔中各器官的空间位置关系，达到了对腹腔各脏器很好的可视化效果。

邱明国等［25］应用首例中国数字化可视人体数据集，选取从髂嵴上缘到坐骨结
节下缘的连续断面图像，用contours+marching cubes算法和C语言编写程序，在SGI工作站上对盆底解剖结构进行计算机三维重建及立体显示。

重建了盆底的
骨性组织、肛提肌、前列腺、膀胱及直肠等相关结构，重建的结构可以多彩色多结构显示，也能单独显示、任意搭配显示或总体显示。

张海燕等［26］选择1例男性尿道直肠瘘病例，进行尿道CT连续断层扫描，扫
描的结果导入Mimics软件中进行三维重建，并利用三维重建模型来指导临床。

成功重建的男性尿道直肠瘘及周围结构的三维立体模型，可以方便地从任意角度和方向观察瘘管情况，测量有关的数据，因此临床医生可以在数字化模型上进行手术设计，使他们在术前清楚地了解尿道直肠瘘的准确位置。

1.4 数字化虚拟人体神经的研究
陈现红等［27］采用首例 CVH数据集，集中低位脑神经所处层面的数据，这些数据清晰地显示舌咽神经、迷走神经、副神经复合体、舌下神经、颈静脉孔、舌下神经管等结构。

断面层厚为0.5 mm，连续、完整显示低位脑神经的细微结构和行走关系。

陈增淦等［28］采用头发作为定位材料，将臂从神经上、中、下干连续组织切片，然后进行胆碱酯酶组织化学染色，通过高分辨率扫描仪将获取的二维数据输入计算机进行三维重建。

重建的模型能真实地再现臂从神经上、中、下干的三维立体结构及上、中、下干各神经束的三维立体行径。

重建结构能被单独或搭配显示以及任意角度旋转显示。

刘艇等［29］对已死亡3 h内的38岁男性尸体的左侧尺神经全长(自臂丛内侧束
至腕横韧带)为标本，经定位、包埋、连续冰冻组织切片，再将切片染色、扫描后
获取尺神经连续断面二维图像信息，用3D Nerve三维可视化软件系统勾画出完整的尺神经干三维解剖图谱。

该图谱再现了尺神经干全长(自臂丛内侧束至腕横韧带)内部显微解剖结构的三维立体行径，描绘了内部结构瓣三维立体解剖图像。

谢小棉等［30］以成年男性新鲜尸体尺神经为标本，对其染色、拍照并将拍摄到的各层
断面的序列图像输入计算机，用Marching Cubes算法和OpenGL图形库重建了各个功能束组及外膜的三维可视化。

重建的三维可视化结果可以更直观、有效地反映神经干内部各个功能束组的整体情况。

此外，可以对重建模型进行任意三维旋转与虚拟切割，也可以从任意角度观察尺神经干内部各个功能束组的走形、走向、分布结构以及它们相互之间的位置毗邻关系。

陆声等［31］用“虚拟中国人”I号女性数据集，借助photoshop和Amira软件，重建腰丛及其周围组织结构的三维可视化模型。

重建的模型可以完整地显示腰丛神经及其主要分支与主要血管、椎体、肾脏之间的关系，还可清楚地显示腰丛神经与腰大肌之间的关系，以及腰丛和腰骶干的汇合情况。

该模型为腰丛的解剖学位置及腰椎前路手术提供了形态依据。

2 发展前景
尽管数字化虚拟人体器官的研究已经取得了一定的成果，但这些研究还只是处在一个比较基础的阶段，即在电脑屏幕上见到的仅是人体的形态结构，还没有太多功能性的反映。

下述几个方面仍是今后研究的重点问题。

(1)器官功能的数字化。

通过更加清楚地了解人体器官的功能及各种生化反应等，
借助信息科学、图像处理技术，不断地将器官的物理性、生理性和智能性参数加以数字化，实现各种器官功能的数字化虚拟。

(2)器官的实时重建。

目前在临床上已经有根据脑部各类组织详细的解剖学特征，
构建模板，非侵入式地获取病人独立个体信息，从而成功地实现了人脑的数字化虚
拟。

利用这种技术，今后在临床上采用非侵入的方法实时重建器官的解剖结构，包括获取各种生理信息，将是研究的一个重点。

3 结论
随着计算机技术与医学的发展，数字化虚拟人体器官已经成为医学、解剖学中一个重要的研究领域，它在病情诊断及医学教学中发挥着重要的作用。

它能够推动医学教育和医学研究的发展，为教学与临床提供形象且真实的模型，用以模拟教学、科学实验、三维手术、血流动力学、药代动力学等，还可对临床诊断治疗提供参考，为临床影像诊断学提供依据，推动显微外科、介入诊断和治疗的发展。

该方向的研究成果在医学科学研究、教育事业及临床工作等领域有着重要的应用意义和广泛的应用前景。

本文分别对人体的头颈部、胸部、腹部及神经器官的数字化虚拟的发展现状进行了回顾，同时对今后的研究重点作了阐述。

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