3D虛擬解剖技術

沈臻懿

尸體解剖，是每一名醫學專業學生了解與掌握人體結構的必經過程。每名醫學生在學習解剖學的過程中，均需邁過心理這道坎。不過，當前一項名為3D虛擬解剖的前沿技術問世，正在悄然改變著這一傳統過程。借助于該技術的應用，操作者在虛擬解剖臺上可以通過觸摸屏的操作，實現對人體的觀察和檢驗。不同于真實尸體解剖中，人體組織只能被切除的特點，3D虛擬解剖技術可以令人體器官、組織、神經等反復“切除”后再重新“生長”，從而令操作者更深入認識人體各組織間的聯系。除醫學專業教學、科研外，3D虛擬解剖技術的應用領域尚在不斷拓寬。無論是個體死亡原因的查明、陣亡士兵尸體的檢驗，抑或尸塊的復原與檢驗，均可發現3D虛擬解剖技術在其中所起到的關鍵作用。

傳統尸體解剖技術的變革

數個世紀以來，任何一名醫學生均需通過尸體解剖這一專業課程來掌握與熟知人體各個部位的構造。不過，解剖者面對的畢竟是一具真實存在的人類尸體，其在操作與實踐的過程中顯然首先需要邁過心理障礙這道坎。有幸的是，前述情形在當前科學技術發展的背景下，已經悄然轉變。這一切的變革，源自于3D虛擬成像技術的不斷成熟，為醫學解剖領域帶來了極大的便利。

當前，澳大利亞、英國、美國等國的研究團隊已相繼設計、研發了一項名為3D虛擬解剖的前沿技術用于醫學解剖的教學與科研。科學家們花費了二十余年的時間完成了前期基礎研究，并建立了極為詳盡的虛擬人體解剖切面。

英國愛丁堡大學解剖學學院利用3D虛擬技術，已研制出了一臺頗為新奇的高科技醫學教學科研設備——3D虛擬解剖臺。目前，這一新型儀器設備已被運用于英國愛丁堡大學解剖學學院的日常教學與科研之中。CT掃描設備的全景掃描，可以將尸體結構以圖像形式輸出，從而在虛擬解剖臺上呈現出與真人比例完全一致的男性或女性生理結構的詳細解剖圖像。通過3D虛擬成像技術，人體各處生理結構可以互相疊加并組成彩色3D影像。人體整個身體以及皮膚之下的每一處細節均可呈現在虛擬解剖臺上，供學習者在某處虛擬位置上加注標簽，并用于解決實際臨床問題。借助于虛擬解剖臺這一設備，醫學生們只需通過觸摸屏就可對尸體予以虛擬“解剖”。

3D虛擬解剖技術的優勢

對于傳統解剖工作而言，尸體解剖的前期準備極為繁瑣。不僅需要制定極為周密、翔實的解剖計劃，還需要對尸體中的脂肪等結構予以清除。另就分層解剖而言，傳統尸體解剖的效果較之于3D虛擬解剖遜色不少。3D虛擬解剖技術擁有區域解剖功能，可以實現分層解剖的效果。醫學生在操作時，不僅可以深入了解與掌握某一層生理結構的細節特征，亦可便于學生反映觀察分層解剖的特點。前述優勢使得3D虛擬解剖技術同時具備了“導航”功能。醫學生在實踐操作時，可以在自主尋找的基礎上對人體的某處位置予以深入解剖，并可以在重點關注的部位標記不同顏色與標簽。

不同于傳統解剖工作需要應用的解剖刀、手術剪、開顱鋸等器械，醫學生在對虛擬尸體進行“解剖”時，使用的是觸摸屏這一設備。據英國愛丁堡大學解剖學教授高登·凡德賴特介紹：“虛擬解剖臺的最大特點就在于，操作者可以借助于特別的3D視角來對人體的不同側面進行旋轉、觀察和檢驗。誠然，3D虛擬解剖技術無法等同于真實的尸體解剖。但醫學專業學生可以應用3D虛擬解剖技術來開展解剖學的教學和實務操作。從當前已經收到的醫學生和外科醫生的反饋來看，這一技術普遍得到了較好反響。”與真實的尸體解剖相比，3D虛擬解剖技術還有著自身獨特的優勢。真實的尸體解剖過程中，尸體的肢體、器官等組織只能被一次性切除，而無法再重新生長、復原。3D虛擬解剖技術則使這一過程具有了可逆性。虛擬解剖臺上顯示出的人體器官、神經、組織、動脈以及紋理等，均可被反復“切除”后再重新復原。醫學生在操作時，通過前述生理結構的移除或者添加，可以深入理解并掌握人體各部分以及各個組織之間的關聯。

虛擬現實學習中心的出現

3D虛擬解剖技術的顯著優勢，開拓了當前醫學專業教學的思路。在這一前沿技術的基礎上，美國加利福尼亞州健康科學西部大學開創先河，設立了全新的虛擬現實學習中心。該中心運用3D虛擬解剖技術，開設了骨科、牙科、護理、物理治療和獸醫五項虛擬現實學習科目。加利福尼亞州健康科學西部大學的羅伯特·W·哈澤爾博士表示，利用3D虛擬解剖技術建立起的虛擬現實學習中心，是此前從未有過的新型教學模式。利用該虛擬技術，可以令解剖學教師與學生之間的教授與學習實現互動。醫學生在解剖人體時，能夠借助于3D虛擬解剖技術提供的人體全息圖，實現人體360度旋轉，并可同時通過多界面對人的身體各系統予以觀察、識別。

據羅伯特·W·哈澤爾博士介紹，學生通過在線自主學習的方式，即可登錄虛擬現實學習中心，并完成相應核心課程的學習。對于每一門核心課程，系統均會設置有相應的學習目標，并引領學生進行自主學習，且在學習過程中不斷進行自我評估與學生之間的相互幫助。羅伯特·W·哈澤爾博士指出：“視頻游戲中的3D虛擬現實模擬，是該虛擬現實學習中心創立的靈感與源頭。通過與高科技軟件公司的合作，能夠為醫學專業學生提供人體解剖學學習的新型方案，也可以讓解剖學教師以在線互動的方式指導學生進行學習。”不過，虛擬現實學習中心對于3D虛擬解剖技術的應用，并未完全摒棄真實尸體的解剖實踐。其主要起到了以科技取代傳統教科書的作用，允許學習者在實際進行尸體解剖前，先在虛擬環境下進行演練。換言之，3D虛擬解剖技術的發展與成熟，標志著從傳統科教幻燈片教學到使用虛擬現實技術親身實踐的重大變革。

3D虛擬解剖技術應用的不斷拓展

個體死亡原因的查明

除了應用于醫學專業教學與科研外，3D虛擬解剖技術的應用領域也在不斷拓展。在這一背景下，3D虛擬解剖技術以其自身獨特的優勢，開始應用于個體死亡原因查明的工作中。據報道稱，曾有一名低齡兒童在接受聲帶喉鏡檢查時突然死亡。面對這一突發事件，法醫專家在對其尸體進行解剖檢驗后，仍難以確定該兒童的死因。在此情形下，法醫專家嘗試使用了3D虛擬技術來輔助查明其確切死因。經3D掃描圖像顯示，法醫專家在該名兒童的喉部發現了一處微小的穿孔。這一重要發現揭示，該名兒童在接受聲帶喉鏡檢查時，喉鏡上的一根細針發生了位置偏離，并刺破了喉部。這使得空氣進入了兒童的胸腔，并導致左肺衰竭。當臨床醫生試圖對兒童的肺部進行降壓時，這根偏離的細針轉而刺穿了兒童的心臟，從而致使其心臟停止跳動。3D虛擬解剖技術對于尸體各部位的深入掃描與復原，使得其成為法醫檢驗領域中確定人員死因的一項新型“武器”。

對陣亡士兵尸體進行檢驗

美國國防部五角大樓當前也已應用3D虛擬解剖技術來對阿富汗和伊拉克戰場上陣亡的美軍士兵尸體進行檢驗，以確認制式頭盔和防彈衣對于子彈和彈片的防護能力和效果。據相關統計，美國五角大樓已對1700多具陣亡士兵的尸體進行了虛擬解剖。美軍法醫克雷格·麥拉赫對3D虛擬解剖技術的高效率與檢驗結果稱贊有加。克雷格·麥拉赫表示，原先我們經常需要花費數個小時來尋找一塊嵌入士兵尸體內的彈片或彈頭。但現在，虛擬解剖技術形成的3D圖像能夠快速告訴我們彈片或彈頭在尸體內的準確位置。除美國外，瑞典、瑞士等國家的法醫專家也已開始采用3D虛擬解剖技術對前述類似案件來進行檢驗。

尸塊的復原與檢驗

在一些特定的刑事案件或大型災難事件中，現場遺留的遇難者尸體往往并不完整。譬如，爆炸案件現場或者碎尸案件現場中，刑偵專家在現場發現的尸體基本上都屬于尸塊的范疇。如果采用傳統尸體檢驗手段，刑偵專家只能在確認尸塊來源于同一個體的基礎上，分別對相關尸塊進行檢驗。不過，3D虛擬解剖技術的引入與應用，則可突破傳統尸體檢驗的局限性，通過3D掃描來實現對尸體完整性的檢驗。無論是完整的還是破碎的尸體，都可以通過現代CT掃描儀對尸體圖像予以處理，從而在虛擬環境下實現對尸塊的復原。此外，由于不需要進行耗時耗力的實際解剖，一臺高性能的電子計算機只需十多分鐘即可以將CT掃描儀獲取的數據信息轉化為皮膚、肌肉、神經、骨骼等人體組織的清晰、準確圖像。這些圖像不僅被可視化，其靈活翻轉的程度也是實際尸體解剖所無法比擬的。尤其是在槍擊案件中，法醫專家如通過實際尸體解剖方式，難以直接發現彈頭射入人體體內的彈道痕跡。但如果借助于3D虛擬解剖技術，人體體內的彈道痕跡在3D圖像中即可直觀顯示。

醫學解剖的有力替代者

3D虛擬解剖技術的迅猛發展，使其有可能在未來，取代或部分取代現行的醫學解剖工作。自20世紀下半葉起，醫院已取消最低解剖率的標準。其醫學解剖率從20世紀60年代的40%～50%，下降到當前4%左右。醫學專業人士普遍認為，與高科技的圖像、檢測技術相比，醫學解剖并不能充分了解有關病患診斷與治療的關鍵信息。此外，醫學解剖所需花費的代價，也讓越來越多的醫院不愿意進行較多的尸體解剖。在此背景下，3D虛擬解剖技術顯然成為了未來醫學解剖的有力替代者。通過這一前沿技術，也可以準確判明醫生在對病患的診療過程中是否存在誤診，或是否弄錯病人的死因。

高清“虛擬人”的重建

無論是醫學專業的教學、科研，還是案件事實或死亡原因的查明，3D虛擬解剖技術所依賴的，均是通過現代CT掃描儀所獲得的圖像信息。為了能夠模擬更為真實的尸體，科學家也在不斷對該項技術予以改進和完善。有科學家提出設想，可以建立一個“虛擬人”，讓操作者得以通過3D虛擬解剖技術，觸碰到“虛擬人”身體的各個生理部位。根據這一設想，當前已問世的多點觸控技術可以用來模擬真實的尸體，從而幫助操作者直接感觸到解剖工作的存在。在這一技術的支持下，操作者能夠直接感觸到人體肌肉的組織、肌膚的紋理，甚至是腹部脂肪等。3D虛擬解剖技術不僅可以呈現出分層切片的虛擬影像，更可幫助操作者利用該技術模擬解剖刀切割皮膚、組織與人體組織的力度，并將這一過程完全呈現在電腦屏幕之上。不過，這一技術的開展，離不開一項重要的基礎工作，即高清“虛擬人”的重建。所謂的“虛擬人”，即是通過電子計算機合成的3D人體詳細結構。

為了取得人體詳細數據信息，建立高清“虛擬人”，美國國家醫學圖書館發起了一項名為“可視人計劃”（Visible Human Project）的項目。參與此項目的科學家挑選出了一名男性和一名女性的遺體作為樣本，分別對其進行了全身CT掃描以及磁共振掃描。隨后，科學家對遺體采取冰凍處理后，使用精密切削的方式，將兩具遺體進行了逐層橫切，并制作成切片標本。其中，男性遺體的切片標本厚度為1毫米，而女性遺體的切片標本厚度僅僅為0.33毫米，極為纖薄精細。對于每一片薄片，科學家均需使用彩色數碼相機對其切面進行拍攝，并將這一斷層數據予以圖像處理后，在電子計算機中建立起高清的3D立體“虛擬人”。經過這一精密方式所構建起的“虛擬人”，其解剖結構與真人完全一致。借助于高清“虛擬人”的構建，3D虛擬解剖技術的可視化、直觀性將進一步得到提升。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com