三維圖形影像顯示技術在醫學領域中的應用

曹利群，顏少明，李鳴皋，高 原，石 芊

人體各個器官的生理解剖和病理變化都呈現為三維立體形態，而醫學教學圖像、診斷用醫學影像和各種內鏡手術影像大都是二維平面圖像，這種立體存在的平面化顯示限制了醫學培訓的效果、診斷影像的解讀準確性和手術操作的效率。作為21世紀發展最迅速的前沿科技，3D技術逐漸實現了高清晰度、高亮度、低串擾的三維影像顯示，在醫學領域的應用隨之越來越廣泛深入[1-2]，醫學的發展為三維圖形影像顯示技術的革新和應用提供了強大的需求牽引，三維圖形影像顯示技術的進步也為醫學培訓、診斷和治療提供更先進的技術支持。作者對國內外三維圖形影像顯示技術在醫學領域的研究和應用作一綜述。

1 三維圖形影像顯示技術為雙眼視覺功能檢查和訓練提供了新方法

只有雙眼視覺功能正常者才能體驗到現代三維顯示技術帶來的立體空間感。立體視覺檢查是雙眼視功能評價體系一項不可或缺的重要檢查，可以篩查出三維顯示技術的適用人群。目前國內外主流立體視覺檢查方法均以圖冊為載體，互補色或偏振光眼鏡分離雙眼圖像獲得立體感[3]，這些輔助眼鏡降低了檢查圖的亮度和清晰度，對檢查結果產生干擾。2016年，顏少明[4]應用三維光柵顯示技術配合隨機點立體視覺檢查圖的優化設計，研制出版了可以裸眼檢查的《立體視覺檢查圖(第3版)》，提高了檢查的環境適應性和準確性。采用現代立體顯示器配合計算機檢查立體視覺，可以靈活設置雙眼視差檢查級別、隨機變化檢查圖案。近2年，中國人民解放軍總醫院第六醫學中心與南京大學合作，應用裸眼立體視顯示技術開發了裸眼多距離立體視覺檢查系統，進一步提高了檢查的擬真實感、系統性和準確性。

斜視弱視是嚴重危害兒童身心健康的常見病、多發病，在學齡前通過治療獲得立體視覺功能是能否治愈的一個重要前提，雙眼視知覺訓練是其中一個重要的治療手段。但傳統訓練方法簡單枯燥、載體陳舊、療程長、療效差。在虛擬現實系統(virtual reality，VR)[5]和立體顯示系統環境下[6]設計運行的雙眼視覺訓練軟件，以三維動畫游戲的形式賦予了訓練更多靈活性和趣味性，顯著增加了治療依從性和訓練效率。

2 三維圖形影像顯示技術催生出沉浸式的醫學培訓新工具

將三維圖形影像顯示技術融入醫學教學，可以幫助醫學生解讀結構復雜的醫學圖像，提高學習效率[7]。裴澄等[8]采用偏振光三維手術影像系統輔助白內障手術教學。2016年，上海瑞金醫院實施了國內首例VR手術直播，為參與者提供了身臨其境的手術體驗，還能為醫學生和低年資醫生提供三維沉浸式醫學培訓[9]。既往外科醫生通過解剖訓練和動物實驗培養手術技能，而通過三維顯示感知術區空間結構，借由VR系統模擬的手術情境配合導師實時反饋指導，為醫學生提供沉浸式手術培訓，指導他們掌握三維人體解剖特點、熟悉手術過程、學習意外情況應對措施，將成為初學者盡快掌握手術技巧的一條新途徑。

3 三維圖形影像顯示技術進一步提高了醫學診斷的準確性和效率

在CT、核磁共振和超聲等醫學影像診斷領域中，為了更準確判斷病變的位置和厚度需要增加拍攝層次對二維圖像進行三維重建，三維立體顯示不需要增加放射劑量就能更直觀表達各部位的解剖特點和層次結構，提高診斷的效率和正確率。目前這一領域內的探索主要集中于眼底照相、乳腺X線檢查和血管成像。

3.1 眼底照相 眼底結構層次復雜，三維顯示立體眼底照片可以更直觀顯示視網膜的增厚和脫離程度與范圍，更易于辨別眼底病變的層次，有助于糖尿病視網膜病變等眼底病變的精確診斷[10]；還有助于更準確界定評估視杯盤沿、視盤內壁傾斜度以及視杯深度，輔助青光眼診斷[11]。2010年出版的《立體眼底病圖譜》[12]提供了大量立體彩色眼底照片和眼底造影圖片，在立體鏡下展示三維生動的眼底萬象，充分體現出立體眼底照相對眼底病變診斷的重要性。

3.2 乳腺X線檢查 有研究顯示乳腺中微鈣化灶的層次分布與惡性腫瘤的發生機率相關，但常規X線影像難以體現病灶的三維層次，經由乳腺立體X線攝影圖片則可以迅速判斷乳腺中不同結構和病變的空間定位[13]。三維圖形影像顯示技術在微鈣化灶檢出方面的優勢已經得到乳腺活檢結果的證實，這種新技術還有助于識別乳腺腫瘤的整體三維結構，提高乳腺病變檢出的敏感性和特異性[14]。

3.3 血管成像 血管成像顯示的是結構復雜、多層分支、內部互相連接的血管網絡，經傳統二維成像技術難以辨別。旋轉成像技術可以顯示血管間復雜的連接，立體成像則以更少的視角達到同樣的效果[15-16]。三維血管成像有助于在血管內支架植入術前選擇恰當的支架型號[17]，在植入后監測支架與血管間的空間關系[18]、盡早發現支架的扭曲等異常改變和及時給予介入治療。

4 三維圖形影像顯示技術為手術規劃及微創、機器人和遠程手術打開了更加開闊真實的視野

4.1 幫助術者規劃手術 術者在術前常要針對患者的解剖和病變特點制定個體化手術方案。通過三維圖形影像顯示技術結合VR系統不僅能夠讓術者提前反復體驗術中所見[19]，還能模擬術中可能遇到的意外情況[20]，鍛煉應變能力，為優化術前規劃、提高手術成功率提供理想的平臺。

4.2 縮短微創手術學習曲線 自20世紀80年代開始，微創手術逐漸取代傳統開放式外科手術成為第二代外科手術。但此類手術要根據顯示屏上的內鏡所見完成操作，術者所見圖像與實際存在大小差異而且缺乏深度線索。用三維圖形影像顯示技術展示雙光路內鏡拍攝的手術場景協助醫生準確判斷器械與組織器官間的距離，可以提高操作準確性、縮短手術時間[21]。有研究已經證實這種技術讓學習腹腔鏡手術的醫生更好更快掌握手術技巧，而且使得微創手術中較復雜的步驟更易于完成[22]。

4.3 為機器人手術和遠程手術提供更加真實的視野 達芬奇手術機器人的問世推動微創手術發展為精確微創手術，它所提供的全景三維、放大10～15倍的高清立體圖像幫助術者更加清晰準確地完成組織定位和器械操作，為手術的精確性奠定了基礎[23]。眼內手術機器人IRISS也采用了3D顯示[24]。機器人手術促進了遠程手術的發展，借助高速數據傳輸和遠程信息控制，外科醫生可以操控手術機器人完成遠程手術，在這一過程中三維圖形影像顯示技術的融入拉近了術者與患者的空間距離，縮短了手術時間、降低了操作錯誤概率[25]。

4.4 增強現實(augmented reality,AR)手術導航 手術導航通過提供虛擬影像覆蓋幫助醫生精確觀察和瞄準外科手術部位[26]。將AR技術引入其中為術者提供術區的深度線索并解決手眼一致性問題[27]。有研究者在超聲引導穿刺手術中采用頭戴虛擬顯示設備明顯縮短了手術時間[28]。還有研究者采用原位透視融合顯示系統讓術者穿透半透半返鏡觀察疊加到真實場景中的三維醫學影像信息，作為實現AR手術導航的一條新途徑[29]。

5 三維圖形影像顯示技術應用于醫學領域需要克服的幾個問題

三維圖形影像顯示技術在醫學領域推廣還存在一些問題[1]：①引入這項技術需要開發相應硬件設備，需要醫生學習和適應新的顯示模式，掌握新的操作技巧。②為了強調圖像的深度線索需要加工修飾原始雙眼圖像，例如把遮擋目標器官的組織透明化，這樣會損失原始圖像的局部細節，影響診斷的全面性。3D眼鏡的佩戴還會造成手術圖像亮度的衰減，并給醫生帶來不適感[30]，因此有必要開發更具潛力的裸眼三維圖形影像顯示技術。③長時間辨識立體圖像中的細節可能誘發眼痛、頭痛、惡心等不適感。更值得注意的是，觀看立體圖像時觀看距離、圖像采集參數設置和顯示器參數設置變化都可能影響對深度線索判斷的準確性。只有認真分析上述問題并提出針對性的解決方案，才能進一步實現醫學與三維圖形影像顯示技術的互相促進和融合發展。

6 小結

綜上所述，盡管目前三維圖形影像顯示技術在醫學領域的應用仍存在一些技術性問題，但其應用可以為醫學生提供更具沉浸感的培訓工具，可以提高影像診斷中對病變形狀和位置判斷的準確性，還可以進一步提高微創手術操作定位準確性，具有廣闊的發展空間。目前已經推出VR版的《3D系統解剖學》和眼視光虛擬仿真實訓系統,三維微創和顯微手術在臨床上得到了越來越廣泛的應用，三維高清手術影像資料的積累已經日益豐富，三維虛擬手術訓練、術前規劃和術中導航系統也已經成為研究熱點，二維醫學向三維醫學的轉化已經啟動。三維圖形影像顯示技術的融入和支撐會為醫學生和臨床醫生打開更生動的三維視界，推動現代醫學培訓、診斷和治療的方法與技術革新，顯著提高醫學培訓與診療水平。