局解

学院：第一临床医学院2013级

专业：影像与核医学

姓名：岳倩

学号：220130914340

器官数字化及其在数字化医学中的实践应用

岳倩（兰州大学第一临床医院 影像与核医学专业2013级）

【摘要】：数字化是人类走向文明的第三个里程碑，尤其是近年来新兴的数字化人体技术在医学上得到了广泛应用。数字化人体是应用现代信息技术，将人体器官结构及功能数字化、可视化，并建立能被计算机处理的数字模型。器官数字化只是数字化人体的其中之一。数字化医学是一门以医学和数字化新技术相结合为主要特征，涵盖医学、数学、信息学、电子学、机械工程学等多种学科的交叉学科，可应用于医学临床的多个科室、多种疾病的治疗中。

【关键词】：数字化；数字化人体；器官数字化；数字模型；数字化医学；数字化虚拟人体；数字化可视人体；数字化成型技术

1 数字化在医学影像学中的优势

医学影像学是一门实践性很强的学科，而学好这门课则需要将多学科知识交叉、融合。显然，传统的影像学教学方法已完全不能适应现代医学影像学的工作要求，因此，大力发展数字化教学可大大提高医学影像学教学的教学质量及教学效果。它的优势主要体现在以下几个方面：首先，数字化存储可节约大量的人力物力，有利于环境保护【1】；其次, 数字化教学信息量大，更新快【2】；再次，数字化教学平台简化了教师备课的繁琐过程；最后，大力发展数字化教学系统有利于充分利用网络资源，发展远程教学，为更好的发挥教学医院的中心辐射作用提供软硬件基础。与此同时使院内已有的网络资源得到进一步的开发利用，大大提升了临床医学教学的现代化进程。

2 数字化人体（器官数字化）的在国内外的发展状况

数字化人体是应用现代信心技术，将人体结构和功能数字化、可视化，并建立能被计算机处理的数字模型。人体是一个复杂的生物体，其内部的器官、细胞、分子等各层结构具有不同的形态学特征，每个层次的结构包含了不同生物学信息，并具有不同的功能。而从事医学影像诊断的工作，需从器官层面分析。顾名思义，器官作为宏观概念，可借助肉眼观察其详细的形态结构。1989年美国国家医学图书馆（NLM）提出了“可视化人体计划（Visible Human Project,VHP）”【3】。1994年Colorado【4、5、6】大学采用的方法是将人体标本低温冰冻后，用工业铣床逐层铣切、逐层照相，输入计算机获取人体标本连续横断图像，然后进行人体结构的三维重建。该冰冻连续横断面图像后构建了首例数字化可视人体数据集，推动了数字化人体的研究。我国通过技术创新，于2002年完成了具有自主知识产权的中国首例数字化可视人体数据集【7】。

与美国VHP数据集相比，我国的VHP数据集有如下特点：①该套数据集为整个人体标本的连续切片，无节段性数据缺损，而VHP则有3段数据缺损；②数码图像的分辨率(清晰度)比VHP高；③进行了血管灌注，使血管更加容易分辨；④由于在低温实验室中进行铣切．避免了牙齿、鼻甲、关节软骨等小结构从铣切表面脱落，使图像数据保持r更好的完整性；⑤所选用标本在年龄、身材和体形上都比较适中，具有更好的代表性【8】（尤其是更具有中国人的代表性）。迄今为止，我国共建立了8套数字人体数据集【9】，为研究中国人不同年龄、身高、性别等的人体组织器官形态建模仿真提供了宝贵的资料。至2010年，第三军医大学的数字化人体研究组织已完成了第一例男性和第一例女性数字化人体器官尺度上的建模，男性共计1408个解剖结构，女性共计1123个解剖结构【10】。

3 数字模型的内涵及数据特征

数据源是人体建模与仿真的基础，也是数字化人体的重要组成部分，包括形态学数据和实验中取得的生物数据。形态学数据是器官、细胞、分子等不同尺度下的数据，包括解剖断层、医学影像资料（CT、MRI、PET等）、组织切片、域扫描、有限元分析或数值模拟得到的数据。不同数据源采集的人体数据，从不同的侧重点来反映人体信息，又各有其局限性，通过优势互补将不同模态下的信息整合到同一尺度空间下，使数字化人体建模具有多模态特性。实验中得到的与人体相关生物数据，内容多、形式广泛，包括来自组织、生理、病理、化学等，从静态到动态的发生发育信息等，具有多参数性。知识建模又分为基于对象和基于系统两个层次，其策略可自下而上、自上而下，或从中间开始。自上而下是从研究单独的对象开始，最后将各对象集成到整个数字化人体系统，各个对象自身及对象间往往存在复杂的联系，通过简化的形式集成到系统中有助于发现和理解他们之间的复杂联系；自上而下，是从现象到本质的方式，从组成人体的器官开始，逐步深入到内部分子机制的研究。从中间开始的研究策略则是从某个感兴趣主体出发，向微观和宏观发散，微观研究其机制，宏观研究其对整个系统的影响【10】。

4 数字化虚拟人体及其在临床中的应用

数字化虚拟人体是指将人体结构数字化，通过计算机技术和图像处理技术，在电脑屏幕上出现一个看似真实的模拟人体，再进一步将人体功能性的研究成果加以数字化，由信息科学家将其转变为电脑的语言符号，赋加到这个人体形态框架上，经过虚拟现实技术的交叉融合，通过操作者的调控，这个“虚拟人”将能模仿真人做出各种各样的反应，若设置有声音和力反馈的装置，还可以提供视、听、触等直观而又自然的实时感。数字化虚拟人体有“虚拟可视人”、“虚拟物理人”、“虚拟生理人”和“虚拟智能人”等4种，它们以三维形式显示人体解剖结构的大小、形状、位置及器官间的相互空间关系，可有效利用人体的信息，开发多层次需求，实现了人体解剖结构信息的数字化，使医学在认识自身结构方面前进了一大步【11】。

5 数字化成型技术及其在外科手术中的应用

数字化成型技术能制作任意复杂形状的三维实体，这对解剖结构及周围相互关系复杂的颅面骨骼具有重要的意义。陈德敏等【12】应用CAD/CAM技术和快速成型技术,建立个性化设计、制造人工颅骨的快速响应体系，通过螺旋CT扫描、CAD三维重建成像、三种快速成型工艺，制成与患者颅骨缺损部位几何形态相同的个性化实体模型，应用翻模工艺和EH复合型生物活性人工骨材料，制成患者骨修复治疗用颅骨。结果显示人工颅骨几何外形与骨缺损部位非常吻合，与健康侧对称，临床效果非常满意。

除此之外，对于显示真实器官的解剖结构具有重要意义。自从1976年Femstrom等【13】首先应用肾镜通过经皮穿刺扩张的肾造瘘通道进行肾盂结石取石术获得成功，经过多年的推广发展，目前经皮肾镜碎石术(PcNL)已经成为治疗大结石、多发结石或下盏结石的金标准。PCNL作为有效和安全的微创手术，但又有其特殊的并发症。术中、术后大出血的发生率约为13．7％【14】，结肠、脾脏、肝脏损伤的发生率约为0．4％【15】。如何最大程度提高手术碎石率和减少并发症成为PCNL发展和研究的热点。根据三维模型显示的肾结石形态和与肾集合系统、肾内血管的关系分析，采用后组盏入路，以最大程度的碎除结石和减少血管及周围毗邻脏器，制定合理化的穿刺入路，并标志入路。将构建的肾结石三维结构模型导人到自由设计模型系统(FreeForm Modeling System)及白带的PHANTOM力反馈设备，对模型放大、旋转和全方位观察各结构，虚拟仿真置入输尿管导管后，以预设的穿刺入路作为穿刺点，并通过透明化肾脏显示肾内血管，避开段动脉分布区域，FreeForm．X维鼠标手动操作自制的仿真手术器械(手术刀、穿刺针、导丝、扩张鞘等)在肾结石三维结构模型上进行切割、穿刺，适当的放大调整穿刺通道，随后扩张建立通道完成碎石的过程，虚拟PCNL手术仿真。肾内三维结构真实反应了患者的生理解剖形态【16】。

6 数字化可视人体在医学领域的发展趋势

数字化可视人体的研究，对于与人体形态结构有关的多个学科领域，如医学、体育、人体器官结构代用品制造、影视与广告制作、航空与航天、军事等领域都具有重要意义和应用价值。在这里，我们主要探讨在医学领域的发展趋势，大致有以下几个方面【10】：一是适应数字化时代需要的“人体数字化解剖学”会出现在教学中。传统的解剖学知识和数据是经过将人体切开以后进行观察和测量得来的，对于某个器官或结构在人体空间中的准确定位、三维测量数据和立体图像，我们没有一个确切的认识。因此，建立新的人体数字化解剖学是数字化时代的革命；二是为现代临床影像诊断提供正常的参照系统。临床断层影像诊断(B超、CT、MRI、PET等)均需要正常人体断面解剖学图像和数据资料作为诊断的形态学基础。数字化可视人体数据集，就是由几千个连续断面图像数据组成的，可视化以后可从任意方位剖切。建立与临床影像检查匹配的适时显示系统是数字化可视人体研究的重要任务之一；三是建立中国数字化标准人脑。由于我国尚无数字化标准人脑，目前在临床上使用的功能磁共振(fMRI)、PET等，所使用的标准脑是一位56岁的法国妇女的数字脑，与东方人脑匹配不好．导致定位诊断的准确性降低。我国目前已大量引进了等应用于临床，因此，建立中国数字化人脑已迫在眉睫；四是实行放疗模拟定位系统研究。γ刀、X刀等放疗手段的有效实施，有赖于对病灶在三维空间的准确定位，以便于对病灶部位的准确切除和对周围正常组织的有效保护。提供一套全方位的正常人体解剖结构的图像与数据资料，对于放疗方案的准确制定和有效实施具有较大帮助；五是临床介入诊断和介入治疗针对性模拟系统研究。内镜、导管等介入诊断、介入治疗手段以其创伤小、准确、快捷等优点在临床上得到越来越广泛的应用，对人体管道结构的三维形态规律和正常数据非常需要。在临床诊断和治疗中，有创性介入(内窥镜、导管等)和外科手术往往远不可预测的因素(包括医生缺乏应急处理的预案)而导致失败，给病人造成不可挽回的损失和痛苦，甚至危及生命。如何利用数字化可视人体在计算机上事先进行手术模拟，如虚拟内窥镜、虚拟介入导管等，针对于具体病人的手术训练和准确而有效的手术方案的制定等都是重要的研究课题；六是虚拟外科手术系统研究。任何有创性外科手术都具有定的风险性，特别是一些以前被认为是手术禁区的重要部位的外科手术风险性就更大。利用数字化可视人体数据，建立外科手术计算机模拟系统．术前制定出直观的针对性手术方案，并仿真模拟外科手术过程，术前进行手术组协调训练，以提高手术的成功率。

7 小结 医学研究的对象是人，器官数字化（数字化人体）是以人为研究对象，描述人体、功能及其知识的数字模型，随着其建模理论和技术的发展，可广泛用于与人体有关的模拟仿真和模拟计算，有助于人们认识生命的本质、掌握人体发生发展的规律，从而提高对疾病的预见性、诊疗的准确性，进一步提高生命的质量，促进数字化医学的研究与应用。

参考文献：

【1】 王立涛，郝庆卯.医学影像学数字化教学实践与探讨[J].卫生职业教育，2009,27（1）：269-275.

【2】 杨明，刘斌，杨小庆，等.PACS系统在医学影像学教学及实践教学体系改革中的作用[J].中国高等医学教育，2007（1）：41-42.

【3】 Ackerman MJ.The visible human project[J].Proceedings of the

IEEE,1998,86(3):504-511.