3D可视化、3D打印、虚拟现实、增强现实在医学中作用的研究进展

作者：潘雯   北京工业职业技术学院机电工程学院

近十余年来，医学飞速发展，相关医学术语被创造和 重新定义，从“循证医学”到“靶向治疗”，从“个体化医 疗”、“转化医学”、“整合医学”到“精准医学”，这一系列新 名词代表了基础医学某些领域认知的进步和理念的更迭， 医学数据的数字化越来越受到关注『七传统诊疗过程 中，医生根据二维断层图像分析患者的病灶部位特点，凭 借经验估计病灶的结构、形态及其跟周围组织的关系，由 于二维图像无法提供人体内部组织、器官的结构，因此缺 乏直观性和准确性。医学图像三维(three-dimensional, 3D)可视化技术、虚拟现实(virtual reality, VR)、增强现实 (augment reality ,AR)、3D打印技术，将提高临床诊断、治疗 的精确性和科学性，促进精准医疗的发展卜〕。本文从医 学教学、医学科研、临床应用3个角度，阐述医学图像3D 可视化、3D打印、VR技术、AR技术在医药领域中的作用。

1概述
医学图像3D可视化是从计算机断层技术(computed tomography, CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)、超声波成像(ultrasonography, US)、电子发射计算断 层造影(PET)等成像系统获得数据后，转换为人类视觉可 感知的三维医学图像3,该三维图像可操作、可分析。VR 技术是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,为使 用者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者身临其 境，通过多感知性、存在性、交互性、自主性促进医生对患 者复杂生命系统及疾病的了解3。AR技术是在VR技术 基础上发展起来的，可将计算机产生的虚拟物体融合于真 实场景中，实时叠加到同一空间，具有虚实融合、实时交 互、辅助增强的特点⑺。3D打印技术是集计算机辅助设计 (CAD)、计算机辅助制造(CAM)、数控技术、激光技术、高 分子材料等领域为一体的全新快速成型技术w。

2医学教学应用
医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术的互 相结合,对医学传统的教学模式、教学手段、教学方法都产 生了巨大的冲击；目前主要用于虚拟解剖学、虚拟手术、虚 拟实验室等。医学传统的教学模式和教学手段，多以教学图谱、教学模型、实验动物、尸体解剖、现场观摩等形式完 成，这些方式有其自身的优点，但一定程度上均存在不 足。在网络技术迅速发展，大数据现象在物理、生物、统计、医学等学科领域快速传播的时代背景下，多种教学模 式、教学手段结合应用将成为教学的主流⑴。医学图像3D 可视化、3D打印、VR技术、AR技术的综合运用，将使教学 过程更加形象、具体，可以达到事半功倍的效果。医学和 药学传统的教学方法以讲授式、讨论式、启发式、情景式、 “一主三学”等方法为主住m,一定程度上均无法摆脱教学 过程受时间、空间、内容、手段等条件的限制，教学成果的 直观性尚有欠缺皿。综合运用医学图像3D可视化、3D打 印、VR技术、AR技术,将有效地弥补现有的教学体系的缺 陷,增加教学案例多样性、提高师生互动性、增强学生的操 控性，继而提高教学效果g。此外，3D可视化、3D打印、 VR技术、AR技术对于中药学、药剂学、药物分析学、临床 药学等药学课程的实训作用也很大⑴，可以突出培养药学 学生的主动学习能力、利用信息资源能力、解决问题能力， 并能通过逼真的虚拟实验环境，减少实训成本，提升实训 的教学效果。这四种技术的综合使用，将给医学和药学教 学带来更广阔的发展空间，其在深化教学改革方面的意义 和应用，必将深远而广阔。


3科学研究应用
在医学应用中，不同模态的图像提供不互相覆盖的结 构互补信息，例如，CT提供骨信息, MRI提供软组织信息， 采用逻辑运算可以实现二者图像的合成。在医学应用中 三维医学图像的绘制一是要突出特定诊断所需要的信息， 忽略无关信息；二是要具备高度的可交互性，即需要一些 常见的操作,如旋转、放大、移动等，还需要具有实时性，或 至少是在一个可以忍受的响应时间内完成;这意味着在医 学图像绘制中，可视化绘制时间短的方法将更为实用，而 且医学图像的3D可视化可能使科学研究方式发生根本性 变化。

临床上，肝胆管结石患者容易复发，肝内胆管走行多 变,狭窄位置不明确，患者手术前很难确切定位，现有的内 镜逆行胰胆管造影(ERCP)、磁共振胰胆管成像(MRCP)、 B超、CT等检查手段都不能完成理想的诊断。因此，在确 定诊治方案时存在一定的难度，导致患者术后残石率高， 故复杂性、多发性肝胆管狭窄并结石患者常需多次、反复 手术，给患者带来的痛苦极大。为了解决这一难题，科研 人员经过医学图像3D可视化、VR技术、AR技术的联合应 用，最终获得了高清度结石、扩张或狭窄胆管的图像数据， 使肝胆管结石手术病灶明确、手术方式更加精确；并且医 生术前可以进行虚拟手术练习，拟定精准的治疗方案，使 临床治疗效果大大提高⑴。

骨科患者的个体化置入物研发是临床上一个重要的 发展方向，骨科临床上常用的假体、钢板及螺钉等骨科置 人物都是标准尺寸，可以满足绝大部分患者的需要，但部 分患者因个体解剖结构差异或疾病的特异性，标准的内置 物并不能满足治疗的需求。因此，临床上常常需要根据患 者的个体特征，在常规设计理念的基础上，以医学图像3D 可视化、3D打印、VR技术、AR技术研发骨科假体和内置 物，参照患者的实际情况和特殊需求改进内置物与受区的 匹配度，以便符合解剖和生物力学的需求，满足不同性别、 人种、职业、运动习惯的个体需要|I4-|5IO个体化骨科置入 物的研发可以保证其几何形态的完美匹配，理论上能够保 证良好的稳定性，改善骨长入，延长假体寿命。针对骨肿 瘤患者，尤其是骨盆恶性骨肿瘤，医师要针对病变范围进 行切除与重建，针对残留骨盆结构进行个体化半骨盆假体 的研发设计，将达到个体化假体与残留结构完美匹配的目 的，可实现患者术后功能上的最优化重建。

医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术目前 在临床上的科研方向还集中表现在研发新型手术器械、个 体化植入物、功能器官等方面。临床上很多手术器械的规 格是固定的，例如泌尿系统疾病的患者，使用的输尿管支 架管都是标准化长度的，没有根据患者的体型分型，造成 很多患者置管后膀胱不适。辅以医学图像3D可视化、3D 打印、VR技术、AR技术，将为患者量身研发出完全符合特 定患者输尿管长度、宽度的输尿管支架管，提高临床疗 效。对于肾脏肿瘤患者来说，这四种技术的综合应用，还 能够将肾脏肿瘤的动脉、静脉、集合系统以不同的颜色展 示，清晰地显示出病变与周围血供及集合系统的关系，大 大提高手术过程的精准率侦。

此外，医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术 在药学科学研究中的应用亦前景广阔⑴。2015年8月3 日，FDA批准了全球第一个应用3D打印技术的新药—— 左乙拉西坦3D打印片剂，这在本质上是释药系统的创 新，即药物制剂技术、辅料、给药装置、制剂设备、检测设 备、包装材料等方面创新的结合。新药研发过程周期长、 成本高、风险高，综合运用3D可视化、3D打印、VR技术、 AR技术，可以打印、虚拟具有活性的组织器官，在此基础 上进行的新药实验，不仅能够缩短新药研发周期，节省研 发费用，还能大大降低风险性。

4临床应用
4.1用于患者的临床诊断
医学图像3D可视化、3D打 印、VR技术、AR技术的综合运用，不仅能够重现病灶的立 体形态，而且医生可以从不同角度掌握病灶的特性，提高 临床诊断的准确性皿。

以虚拟内窥镜为例，即是综合应用医学图像3D可视 化、VR技术、AR技术的非侵入式诊疗方法。虚拟内窥镜 没有感染、出血等不良后果，可以重复使用、进行动态病理 分析，而且可以检查光学内窥镜不能检查的人体组织，如 脑、内耳、脊髓管、血管等。虚拟内窥镜结合了光学内窥 镜、CT、MRI等断层成像的优点，利用CT、MRI、超声波获 得二维断层结构数据,进行3D可视化处理,形成3D可视化 图像，结合VR技术、AR技术，可以展示连续的三维器官内 腔，并且可以沿着这个虚拟的内部空腔做飞行观察，模拟传 统的内窥镜检查过程在检测人体组织结构时，虚拟内窥 镜采集的图像可以制作成视频继续观察。在用于心血管疾 病的诊断中，虚拟内窥镜可以检查血管管径的测量参数、血 液流量、血流速度及管腔内的表象。此外,虚拟耳鼻喉镜、虚 拟肠胃镜、虚拟支气管镜在临床诊断上亦前景广阔。

4.2用于患者术前制订手术方案
对于临床上复杂的手 术，医生可以借助医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、 AR技术，充分暴露患者的病灶及其与周围血管、神经的关 系，根据患者的个体特征制订对应的手术方案。医生术前制 订手术方案的基础是对患者的术前评估，医学图像3D可视 化、3D打印、VR技术、AR技术综合运用将得到直接、精确的 手术区域解剖结构的三维物理模型，借此可以协助医师做出 更准确的判断，以便制订更加详细的手术方案”樵此外，术 前医生能够以实物模型进行反复的操作练习,这对于指导个 体化手术,缩短手术时间,提高手术成功率至关重要。


4.3手术过程中导航
临床上，患者手术过程中难免会 出现难以预料的情况使得手术方案无法实施;预先制定的 完善的手术方案在应用于具体患者时，也会出现预后效果 不理想的状况；辅以医学图像3D可视化、3D打印、VR技 术、AR技术的术中导航，将确保手术方案顺利、精确地实 施［I5-6IO例如，骨科患者内固定器械、手术螺钉的置入常 常借助于配套的瞄准器械、模板系统或X线影像，但内固 定置入是否精确、患者预后是否良好，常常因医生的经验 而差别很大,置入过程中以医学图像3D可视化、VR技术、 AR技术作为术中导航，再加上3D打印技术的辅助，能够 使个体化内固定模板与特定病例实体骨骼完全匹配，患者 的内固定置入将更加精准，还可以有效减少医患在术中放 射线暴露的时间，最大程度地提高患者的疗效。此外，骨 科手术过程中上述四种方式结合开展的术中导航，还可以 为复杂骨折的复位、骨折畸形愈合、矫形截骨的大小及角 度等提供有效的帮助。

脑部肿瘤患者进行放射治疗时，颅骨上需要穿孔，再 将放射性同位素准确地置于颅内病灶位置，手术过程中要 保证同位素射线治疗效果好、不伤及正常组织。由于人脑结构复杂，在不打开颅骨的情况下，要达到上述要求难度 很大。利用医学图像3D可视化、VR技术、AR技术，就可 以在重构出的人脑内部结构三维图像基础上，计算机模拟 颅骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置、等剂量线等， 设计并筛选最佳方案；手术过程中，亦可以在屏幕上监测 整个流程，使医生们做到“心中有数”，大大提高了手术的 成功率［l8-|,Jo


4.4提高医患沟通效果
医患沟通的关键之处在于能够让患者或患者家属了解、理解医生治疗方案选择的依据， 医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术的综合运 用将使术前医生与患者的沟通变得更加容易，患者对病情 和手术方案的理解程度将会明显提高。医生与患者沟通 的很多内容专业性很强,如CT、MRI的检查结果，手术方 案的选择依据等，即便医生以很详细的方式与患者沟通介 绍，患者的理解程度仍然很低,综合运用上述技术,把患者 的病变大小、病变与周围组织和血管的关系以很精确的方 式展示在患者面前，不但提高了医生对手术成功的把握 度，而且有利于向患者说明规划的手术切除范围、需要规 避的血管和手术中的难点，更加有利于提高患者对病情和 手术方案的理解程度，增加医患之间的沟通效率，患者对 于治疗过程中和手术过程中可能出现的特异性并发症的 理解程度将提高，从而可以减少或避免医疗纠纷的发生。4.5远程医疗利用通讯技术、计算机及网络环境，医疗机 构之间可以实现CT、MRI、超声等图像数据的远程传送和 数据共享,借助医学图像3D可视化、VR技术、AR技术的综 合运用，可以实现异地、交互式的指导、检查、诊断、治疗 等医疗会诊的内容,最终达到远程放射计划与治疗、远程手 术、远程医学培训等远程医疗的目的,这尤其适用于偏远地 区的危重患者和战争中伤病员的救治,当地医疗条件无法及 时处理时,这种方式将解决患者的一系列就医问题。

目前，医学图像3D可视化、VR技术、AR技术正向分 布式协同可视化的方向发展，分布式协同可视化可以使外 科手术专家与现场手术医生之间开展协同交互式操作、分 析医学三维模型,完成异地协同手术。由于远程医疗系统 中的交互式操作比较复杂，对医学图像3D可视化体绘制 和显示有更高的技术要求。具体实施时，可以考虑在并行 分布式网络计算构架下，采用服务器-客户机模型结构,使 用JAVA、VRML、OpenGL等编程工具来实现基于Web的医 学图像3D可视化。分布式协同可视化在远程医疗中的应 用实例是TelelnViV。系统，通过支持TCP/IP点对点之间通 讯协议,TelelnViVo利用Internet网络环境，对CT、MRI、PET 等数据进行实时协同可视化操作，最终达到远程放射计划 与治疗、远程手术、远程医学培训等远程医疗的目的。此 外，在医学图像3D可视化、VR技术、AR技术等支持下，美 国武装部队已经研发出高级创伤救治技术模拟训练系统、 天花接种模拟训练系统、胸部创伤救治模拟训练系统、环 甲软骨切开术模拟训练系统、VR Demo精神运动技术训练 系统,实现了远程医学训练、医学实验等远程医疗的内容。

5小结
随着我国医疗改革的不断深入，医疗科技水平的不断 发展，医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术将 被更广泛的运用到医学和药学的教育、科研、日常工作当 中。目前,我国医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR 技术在医学和药学各领域中的应用尚处于探索过程中，需 要建立政府、医疗机构、医务人员、患者等多方参与、共同 协作的模式；这不仅能够充分利用现有的医疗资源，打破 医疗资源区域的局限性，更能够从医学和药学教育、科研、 临床三方面促进精准医疗的发展，进一步建设与完善我国 的医疗服务体系。