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(xiàn)為三維立體形態(tài)，而醫(yī)學(xué)教學(xué)圖像、診斷用醫(yī)學(xué)影像和各種內(nèi)鏡手術(shù)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(yī)學(xué)培訓(xùn)的效果、診斷影像的解讀準(zhǔn)確性和手術(shù)操作的效率。作為21世紀(jì)發(fā)展最迅速的前沿科技，3D技術(shù)逐漸實現(xiàn)了高清晰度、高亮度、低串?dāng)_的三維影像顯示，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用隨之越來越廣泛深入[1-2]，醫(yī)學(xué)的發(fā)展為三維圖形影像顯示技術(shù)的革新和應(yīng)用提供了強大的需求牽引，三維圖形影像顯示技術(shù)的進步也為醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、診斷和治療提供更先進的技術(shù)支持。作者對國內(nèi)外三維圖形影像顯示技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用作一綜述。

1 三維圖形影像顯示技術(shù)為雙眼視覺功能檢查和訓(xùn)練提供了新方法

只有雙眼視覺功能正常者才能體驗到現(xiàn)代三維顯示技術(shù)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(shù)的適用人群。目前國內(nèi)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(jié)果產(chǎn)生干擾。2016年，顏少明[4]應(yīng)用三維光柵顯示技術(shù)配合隨機點立體視覺檢查圖的優(yōu)化設(shè)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(huán)境適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。采用現(xiàn)代立體顯示器配合計算機檢查立體視覺，可以靈活設(shè)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(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心與南京大學(xué)合作，應(yīng)用裸眼立體視顯示技術(shù)開發(fā)了裸眼多距離立體視覺檢查系統(tǒng)，進一步提高了檢查的擬真實感、系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性。

斜視弱視是嚴(yán)重危害兒童身心健康的常見病、多發(fā)病，在學(xué)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(xùn)練是其中一個重要的治療手段。但傳統(tǒng)訓(xùn)練方法簡單枯燥、載體陳舊、療程長、療效差。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(virtual reality，VR)[5]和立體顯示系統(tǒng)環(huán)境下[6]設(shè)計運行的雙眼視覺訓(xùn)練軟件，以三維動畫游戲的形式賦予了訓(xùn)練更多靈活性和趣味性，顯著增加了治療依從性和訓(xùn)練效率。

2 三維圖形影像顯示技術(shù)催生出沉浸式的醫(yī)學(xué)培訓(xùn)新工具

將三維圖形影像顯示技術(shù)融入醫(yī)學(xué)教學(xué)，可以幫助醫(yī)學(xué)生解讀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的醫(yī)學(xué)圖像，提高學(xué)習(xí)效率[7]。裴澄等[8]采用偏振光三維手術(shù)影像系統(tǒng)輔助白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)。2016年，上海瑞金醫(yī)院實施了國內(nèi)首例VR手術(shù)直播，為參與者提供了身臨其境的手術(shù)體驗，還能為醫(yī)學(xué)生和低年資醫(yī)生提供三維沉浸式醫(yī)學(xué)培訓(xùn)[9]。既往外科醫(yī)生通過解剖訓(xùn)練和動物實驗培養(yǎng)手術(shù)技能，而通過三維顯示感知術(shù)區(qū)空間結(jié)構(gòu)，借由VR系統(tǒng)模擬的手術(shù)情境配合導(dǎo)師實時反饋指導(dǎo)，為醫(yī)學(xué)生提供沉浸式手術(shù)培訓(xùn)，指導(dǎo)他們掌握三維人體解剖特點、熟悉手術(shù)過程、學(xué)習(xí)意外情況應(yīng)對措施，將成為初學(xué)者盡快掌握手術(shù)技巧的一條新途徑。

3 三維圖形影像顯示技術(shù)進一步提高了醫(yī)學(xué)診斷的準(zhǔn)確性和效率

在CT、核磁共振和超聲等醫(yī)學(xué)影像診斷領(lǐng)域中，為了更準(zhǔn)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(dá)各部位的解剖特點和層次結(jié)構(gòu)，提高診斷的效率和正確率。目前這一領(lǐng)域內(nèi)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(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，三維顯示立體眼底照片可以更直觀顯示視網(wǎng)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(wǎng)膜病變等眼底病變的精確診斷[10]；還有助于更準(zhǔn)確界定評估視杯盤沿、視盤內(nèi)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(xiàn)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(fā)生機率相關(guān)，但常規(guī)X線影像難以體現(xiàn)病灶的三維層次，經(jīng)由乳腺立體X線攝影圖片則可以迅速判斷乳腺中不同結(jié)構(gòu)和病變的空間定位[13]。三維圖形影像顯示技術(shù)在微鈣化灶檢出方面的優(yōu)勢已經(jīng)得到乳腺活檢結(jié)果的證實，這種新技術(shù)還有助于識別乳腺腫瘤的整體三維結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)復(fù)雜、多層分支、內(nèi)部互相連接的血管網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)傳統(tǒng)二維成像技術(shù)難以辨別。旋轉(zhuǎn)成像技術(shù)可以顯示血管間復(fù)雜的連接，立體成像則以更少的視角達(dá)到同樣的效果[15-16]。三維血管成像有助于在血管內(nèi)支架植入術(shù)前選擇恰當(dāng)?shù)闹Ъ苄吞朳17]，在植入后監(jiān)測支架與血管間的空間關(guān)系[18]、盡早發(fā)現(xiàn)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(shù)為手術(shù)規(guī)劃及微創(chuàng)、機器人和遠(yuǎn)程手術(shù)打開了更加開闊真實的視野

4.1 幫助術(shù)者規(guī)劃手術(shù) 術(shù)者在術(shù)前常要針對患者的解剖和病變特點制定個體化手術(shù)方案。通過三維圖形影像顯示技術(shù)結(jié)合VR系統(tǒng)不僅能夠讓術(shù)者提前反復(fù)體驗術(shù)中所見[19]，還能模擬術(shù)中可能遇到的意外情況[20]，鍛煉應(yīng)變能力，為優(yōu)化術(shù)前規(guī)劃、提高手術(shù)成功率提供理想的平臺。

4.2 縮短微創(chuàng)手術(shù)學(xué)習(xí)曲線 自20世紀(jì)80年代開始，微創(chuàng)手術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)開放式外科手術(shù)成為第二代外科手術(shù)。但此類手術(shù)要根據(jù)顯示屏上的內(nèi)鏡所見完成操作，術(shù)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(shù)展示雙光路內(nèi)鏡拍攝的手術(shù)場景協(xié)助醫(yī)生準(zhǔn)確判斷器械與組織器官間的距離，可以提高操作準(zhǔn)確性、縮短手術(shù)時間[21]。有研究已經(jīng)證實這種技術(shù)讓學(xué)習(xí)腹腔鏡手術(shù)的醫(yī)生更好更快掌握手術(shù)技巧，而且使得微創(chuàng)手術(shù)中較復(fù)雜的步驟更易于完成[22]。

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

4.4 增強現(xiàn)實(augmented reality,AR)手術(shù)導(dǎo)航 手術(shù)導(dǎo)航通過提供虛擬影像覆蓋幫助醫(yī)生精確觀察和瞄準(zhǔn)外科手術(shù)部位[26]。將AR技術(shù)引入其中為術(shù)者提供術(shù)區(qū)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(dǎo)穿刺手術(shù)中采用頭戴虛擬顯示設(shè)備明顯縮短了手術(shù)時間[28]。還有研究者采用原位透視融合顯示系統(tǒng)讓術(shù)者穿透半透半返鏡觀察疊加到真實場景中的三維醫(yī)學(xué)影像信息，作為實現(xiàn)AR手術(shù)導(dǎo)航的一條新途徑[29]。

5 三維圖形影像顯示技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需要克服的幾個問題

三維圖形影像顯示技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域推廣還存在一些問題[1]：①引入這項技術(shù)需要開發(fā)相應(yīng)硬件設(shè)備，需要醫(yī)生學(xué)習(xí)和適應(yīng)新的顯示模式，掌握新的操作技巧。②為了強調(diào)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(biāo)器官的組織透明化，這樣會損失原始圖像的局部細(xì)節(jié)，影響診斷的全面性。3D眼鏡的佩戴還會造成手術(shù)圖像亮度的衰減，并給醫(yī)生帶來不適感[30]，因此有必要開發(fā)更具潛力的裸眼三維圖形影像顯示技術(shù)。③長時間辨識立體圖像中的細(xì)節(jié)可能誘發(fā)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(shù)設(shè)置和顯示器參數(shù)設(shè)置變化都可能影響對深度線索判斷的準(zhǔn)確性。只有認(rèn)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(xiàn)醫(yī)學(xué)與三維圖形影像顯示技術(shù)的互相促進和融合發(fā)展。

6 小結(jié)

綜上所述，盡管目前三維圖形影像顯示技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用仍存在一些技術(shù)性問題，但其應(yīng)用可以為醫(yī)學(xué)生提供更具沉浸感的培訓(xùn)工具，可以提高影像診斷中對病變形狀和位置判斷的準(zhǔn)確性，還可以進一步提高微創(chuàng)手術(shù)操作定位準(zhǔn)確性，具有廣闊的發(fā)展空間。目前已經(jīng)推出VR版的《3D系統(tǒng)解剖學(xué)》和眼視光虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng),三維微創(chuàng)和顯微手術(shù)在臨床上得到了越來越廣泛的應(yīng)用，三維高清手術(shù)影像資料的積累已經(jīng)日益豐富，三維虛擬手術(shù)訓(xùn)練、術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)也已經(jīng)成為研究熱點，二維醫(yī)學(xué)向三維醫(yī)學(xué)的轉(zhuǎn)化已經(jīng)啟動。三維圖形影像顯示技術(shù)的融入和支撐會為醫(yī)學(xué)生和臨床醫(yī)生打開更生動的三維視界，推動現(xiàn)代醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、診斷和治療的方法與技術(shù)革新，顯著提高醫(yī)學(xué)培訓(xùn)與診療水平。