皮損虛擬數字模型的構建與教學應用*

孫九愛 魏玲 陳珊珊 黃清明 吳忠航

1 上海健康醫學院醫學影像學院 上海 2 上海健康醫學院附屬周浦醫院科創平臺 上海 3 上海健康醫學院上海市分子影像學重點實驗室 上海 201318

0 引言

作為可觸及和視覺可感知的人體表面最大器官，皮膚疾病種類高達2 000 余種，而醫學專業教材一般只介紹其中的百余種病例，即使臨床上頂尖的皮膚科醫生也只能記住600 ～800 種皮膚病[1]。為了提高皮膚病的示教和診斷水平，特別是對經驗欠缺的年輕醫師的教學和培訓，有采用蠟型制模、手工或電腦繪圖的方式進行各種皮損形態和顏色變化的描述。其中，物理模型的制作耗時較長，且模擬生成的皮膚形貌逼真度較差，一般只能用于簡單的皮膚結構表述；手工或電腦繪圖能夠生成色彩豐富的皮膚形貌，但這類方法只能獲得特定光照和視角條件下的皮膚表面影像。然而，皮膚表面是一個包含紋理和顏色的三維結構，其形貌會隨著光照和觀察者的視角發生變化，因此，傳統的繪圖方式無法給出皮膚表面形貌的全面描述[2]。

隨著5G 通信網絡和數字化技術的發展，越來越多的現代建模和可視化技術被應用到醫學教育各個領域，部分傳統醫學影像教學方式突破時空限制，逐漸向網絡在線教學模式轉型[3]。利用現代技術實現線上或線下的醫學影像教學，有效地將傳統教學內容向數字化和虛擬化轉型成為迫切需求[4]。本文主要探討一種皮損表面形貌數字化和可視化技術及其在皮膚科示教和皮膚疾病輔助診斷中的應用價值。

1 基于數碼攝片的皮膚形貌模型

從微觀角度看，皮膚表面存在形狀規則的微小紋理結構，這種三維結構在不同的光照方向條件下會形成不同的視覺效果。事實上，任何光照條件﹑光敏感器件和攝像角度的變化都會導致攝片結果的改變，而常規照片提供的僅是場景在固定視角下的成像結果[5]。攝像時采用的照射光源的色調也會影響皮膚形貌的描述，如圖1（a）和（b）所示，同一皮損部位采用兩種光源從不同方向照射產生的結果存在差異。雖然人眼可以通過視覺系統自動調節光源色調所帶來的差異，但攝像機需要通過額外的白平衡技術調節消除這種影響。因此，實際臨床時，皮膚科醫生通常需要不斷地改變和調節入射光的照射方式或攝像機的拍攝視角才能獲得皮損部位的最佳觀測結果[6]。為了能夠將數碼照片用于臨床皮膚疾病的輔助診斷或培訓目的，現有的常規攝片方法需要進一步改進，以便能夠真正全面地描述皮損部位三維形貌，增強皮膚形貌可視化效果。

圖1 同一個皮損在兩種照射條件下產生的照片

2 基于光度立體的皮膚表面數字模型

為了解決單張照片不能完全反映目標表面三維結構的問題，可采用單個光學傳感器和多方向的照射光源，通過分時掃描的方式獲得被觀察物體表面的紋理和顏色信息。圖2 左為設計定制的皮膚表面形貌采集裝置，圖2 右為采用定制的裝置采集到的手指關節處皮膚的形貌結構演示，包括采集到的原始圖像和經光度立體方法重建獲得的三維結構圖，從手指關節表面的重建結果可以發現利用此種裝置采集和構建皮膚表面模型具有正確性。

圖2 皮膚表面形貌采集裝置和構建的皮膚表面數字模型

3 結果

在臨床合作單位的協助下，使用定制的皮膚表面形貌采集設備收集常見皮損種類的照片，并重建形成VRML 等虛擬3D 目標文件格式，最終組成皮損數字模型數據庫。通過數據庫，可以顯示或存取教學和診斷過程中需要的皮膚病病例，并通過文字描述和三維圖像格式輸出可視化的結果。圖3 是數字皮損數據庫中幾種典型皮損的演示。

圖3 虛擬皮損的演示

無論是攝影提供的皮膚表面高分辨率數字圖像，還是重建后形成的表面光學反射比、表面法向量分布和重建后的數字化三維虛擬模型，都可以通過互聯網即時傳輸到世界各地，接收者通過可視化虛擬環境仔細地查看皮損的形貌結構。

4 討論

當有經驗的皮膚科醫生在臨床環境中用裸眼或皮膚放大鏡檢查皮損時，需要反復調整照明條件或觀察視角，以便全面獲得皮損表面的細微形貌信息，這種診斷過程在攝片動作完成后不可重復，限制了醫生之間的診斷經驗交流和臨床示教。而通過光度立體技術獲得皮膚表面光學反射比和表面法向量，使用者可以動態交互改變照明和觀察條件獲取皮損部位的皮膚形貌描述。同時，將重建后表面的數字三維模型制作為可跨平臺和多用戶交互的網絡虛擬文件格式，醫生可以通過沉浸式可視化虛擬學習環境進行皮損表面顏色和三維結構的分析。這種交互式使用方法可以更改照明方向，實時操縱視點，模擬實際臨床的診斷檢查過程，克服學習地點和時間等條件限制，大大提高了醫生的學習興趣和使用體驗。

利用光度立體方法重建產生可信的皮膚表面紋理和顏色信息，這種皮膚外觀的客觀量化表述除了能用于皮膚科醫生之間診斷經驗交流和示教，也可以用于其他需要量化表述皮膚外觀的應用，如藥理學、燒傷、褥瘡和化妝品功效評測等。

基于光度立體技術的皮膚表面形貌采集方法僅需要光學探測器和發光二極管光源。隨著數碼產品的發展，這些部件的價格越來越低，所以該方法的使用成本也會相應降低，結合后續的虛擬交互環境，可以改進常規數碼照相在臨床診斷的使用模式。同時，隨著集成制造水平的提高，數碼產品變得越來越小，根據光度立體技術制造的采集裝置變得更加便攜，方便對身體各個不同部位的皮損進行掃描。

5 結束語

采用彩色光度立體成像方法恢復皮膚表面的光學反射和表面形狀特征，重建形成皮損的數字三維模型。利用制作的皮膚圖像采集裝置，收集整理典型皮損的數字圖像和三維數字模型，初步構建虛擬皮損數據庫，用于皮膚疾病的三維可視化示教和遠程皮膚病的輔助診斷。