3D虚拟解剖技术

沈臻懿

尸体解剖，是每一名医学专业学生了解与掌握人体结构的必经过程。每名医学生在学习解剖学的过程中，均需迈过心理这道坎。不过，当前一项名为3D虚拟解剖的前沿技术问世，正在悄然改变着这一传统过程。借助于该技术的应用，操作者在虚拟解剖台上可以通过触摸屏的操作，实现对人体的观察和检验。不同于真实尸体解剖中，人体组织只能被切除的特点，3D虚拟解剖技术可以令人体器官、组织、神经等反复“切除”后再重新“生长”，从而令操作者更深入认识人体各组织间的联系。除医学专业教学、科研外，3D虚拟解剖技术的应用领域尚在不断拓宽。无论是个体死亡原因的查明、阵亡士兵尸体的检验，抑或尸块的复原与检验，均可发现3D虚拟解剖技术在其中所起到的关键作用。

传统尸体解剖技术的变革

数个世纪以来，任何一名医学生均需通过尸体解剖这一专业课程来掌握与熟知人体各个部位的构造。不过，解剖者面对的毕竟是一具真实存在的人类尸体，其在操作与实践的过程中显然首先需要迈过心理障碍这道坎。有幸的是，前述情形在当前科学技术发展的背景下，已经悄然转变。这一切的变革，源自于3D虚拟成像技术的不断成熟，为医学解剖领域带来了极大的便利。

当前，澳大利亚、英国、美国等国的研究团队已相继设计、研发了一项名为3D虚拟解剖的前沿技术用于医学解剖的教学与科研。科学家们花费了二十余年的时间完成了前期基础研究，并建立了极为详尽的虚拟人体解剖切面。

英国爱丁堡大学解剖学学院利用3D虚拟技术，已研制出了一台颇为新奇的高科技医学教学科研设备——3D虚拟解剖台。目前，这一新型仪器设备已被运用于英国爱丁堡大学解剖学学院的日常教学与科研之中。CT扫描设备的全景扫描，可以将尸体结构以图像形式输出，从而在虚拟解剖台上呈现出与真人比例完全一致的男性或女性生理结构的详细解剖图像。通过3D虚拟成像技术，人体各处生理结构可以互相叠加并组成彩色3D影像。人体整个身体以及皮肤之下的每一处细节均可呈现在虚拟解剖台上，供学习者在某处虚拟位置上加注标签，并用于解决实际临床问题。借助于虚拟解剖台这一设备，医学生们只需通过触摸屏就可对尸体予以虚拟“解剖”。

3D虚拟解剖技术的优势

对于传统解剖工作而言，尸体解剖的前期准备极为繁琐。不仅需要制定极为周密、翔实的解剖计划，还需要对尸体中的脂肪等结构予以清除。另就分层解剖而言，传统尸体解剖的效果较之于3D虚拟解剖逊色不少。3D虚拟解剖技术拥有区域解剖功能，可以实现分层解剖的效果。医学生在操作时，不仅可以深入了解与掌握某一层生理结构的细节特征，亦可便于学生反映观察分层解剖的特点。前述优势使得3D虚拟解剖技术同时具备了“导航”功能。医学生在实践操作时，可以在自主寻找的基础上对人体的某处位置予以深入解剖，并可以在重点关注的部位标记不同颜色与标签。

不同于传统解剖工作需要应用的解剖刀、手术剪、开颅锯等器械，医学生在对虚拟尸体进行“解剖”时，使用的是触摸屏这一设备。据英国爱丁堡大学解剖学教授高登·凡德赖特介绍：“虚拟解剖台的最大特点就在于，操作者可以借助于特别的3D视角来对人体的不同侧面进行旋转、观察和检验。诚然，3D虚拟解剖技术无法等同于真实的尸体解剖。但医学专业学生可以应用3D虚拟解剖技术来开展解剖学的教学和实务操作。从当前已经收到的医学生和外科医生的反馈来看，这一技术普遍得到了较好反响。”与真实的尸体解剖相比，3D虚拟解剖技术还有着自身独特的优势。真实的尸体解剖过程中，尸体的肢体、器官等组织只能被一次性切除，而无法再重新生长、复原。3D虚拟解剖技术则使这一过程具有了可逆性。虚拟解剖台上显示出的人体器官、神经、组织、动脉以及纹理等，均可被反复“切除”后再重新复原。医学生在操作时，通过前述生理结构的移除或者添加，可以深入理解并掌握人体各部分以及各个组织之间的关联。

虚拟现实学习中心的出现

3D虚拟解剖技术的显著优势，开拓了当前医学专业教学的思路。在这一前沿技术的基础上，美国加利福尼亚州健康科学西部大学开创先河，设立了全新的虚拟现实学习中心。该中心运用3D虚拟解剖技术，开设了骨科、牙科、护理、物理治疗和兽医五项虚拟现实学习科目。加利福尼亚州健康科学西部大学的罗伯特·W·哈泽尔博士表示，利用3D虚拟解剖技术建立起的虚拟现实学习中心，是此前从未有过的新型教学模式。利用该虚拟技术，可以令解剖学教师与学生之间的教授与学习实现互动。医学生在解剖人体时，能够借助于3D虚拟解剖技术提供的人体全息图，实现人体360度旋转，并可同时通过多界面对人的身体各系统予以观察、识别。

据罗伯特·W·哈泽尔博士介绍，学生通过在线自主学习的方式，即可登录虚拟现实学习中心，并完成相应核心课程的学习。对于每一门核心课程，系统均会设置有相应的学习目标，并引领学生进行自主学习，且在学习过程中不断进行自我评估与学生之间的相互帮助。罗伯特·W·哈泽尔博士指出：“视频游戏中的3D虚拟现实模拟，是该虚拟现实学习中心创立的灵感与源头。通过与高科技软件公司的合作，能够为医学专业学生提供人体解剖学学习的新型方案，也可以让解剖学教师以在线互动的方式指导学生进行学习。”不过，虚拟现实学习中心对于3D虚拟解剖技术的应用，并未完全摒弃真实尸体的解剖实践。其主要起到了以科技取代传统教科书的作用，允许学习者在实际进行尸体解剖前，先在虚拟环境下进行演练。换言之，3D虚拟解剖技术的发展与成熟，标志着从传统科教幻灯片教学到使用虚拟现实技术亲身实践的重大变革。

3D虚拟解剖技术应用的不断拓展

个体死亡原因的查明

除了应用于医学专业教学与科研外，3D虚拟解剖技术的应用领域也在不断拓展。在这一背景下，3D虚拟解剖技术以其自身独特的优势，开始应用于个体死亡原因查明的工作中。据报道称，曾有一名低龄儿童在接受声带喉镜检查时突然死亡。面对这一突发事件，法医专家在对其尸体进行解剖检验后，仍难以确定该儿童的死因。在此情形下，法医专家尝试使用了3D虚拟技术来辅助查明其确切死因。经3D扫描图像显示，法医专家在该名儿童的喉部发现了一处微小的穿孔。这一重要发现揭示，该名儿童在接受声带喉镜检查时，喉镜上的一根细针发生了位置偏离，并刺破了喉部。这使得空气进入了儿童的胸腔，并导致左肺衰竭。当临床医生试图对儿童的肺部进行降压时，这根偏离的细针转而刺穿了儿童的心脏，从而致使其心脏停止跳动。3D虚拟解剖技术对于尸体各部位的深入扫描与复原，使得其成为法医检验领域中确定人员死因的一项新型“武器”。

对阵亡士兵尸体进行检验

美国国防部五角大楼当前也已应用3D虚拟解剖技术来对阿富汗和伊拉克战场上阵亡的美军士兵尸体进行检验，以确认制式头盔和防弹衣对于子弹和弹片的防护能力和效果。据相关统计，美国五角大楼已对1700多具阵亡士兵的尸体进行了虚拟解剖。美军法医克雷格·麦拉赫对3D虚拟解剖技术的高效率与检验结果称赞有加。克雷格·麦拉赫表示，原先我们经常需要花费数个小时来寻找一块嵌入士兵尸体内的弹片或弹头。但现在，虚拟解剖技术形成的3D图像能够快速告诉我们弹片或弹头在尸体内的准确位置。除美国外，瑞典、瑞士等国家的法医专家也已开始采用3D虚拟解剖技术对前述类似案件来进行检验。

尸块的复原与检验

在一些特定的刑事案件或大型灾难事件中，现场遗留的遇难者尸体往往并不完整。譬如，爆炸案件现场或者碎尸案件现场中，刑侦专家在现场发现的尸体基本上都属于尸块的范畴。如果采用传统尸体检验手段，刑侦专家只能在确认尸块来源于同一个体的基础上，分别对相关尸块进行检验。不过，3D虚拟解剖技术的引入与应用，则可突破传统尸体检验的局限性，通过3D扫描来实现对尸体完整性的检验。无论是完整的还是破碎的尸体，都可以通过现代CT扫描仪对尸体图像予以处理，从而在虚拟环境下实现对尸块的复原。此外，由于不需要进行耗时耗力的实际解剖，一台高性能的电子计算机只需十多分钟即可以将CT扫描仪获取的数据信息转化为皮肤、肌肉、神经、骨骼等人体组织的清晰、准确图像。这些图像不仅被可视化，其灵活翻转的程度也是实际尸体解剖所无法比拟的。尤其是在枪击案件中，法医专家如通过实际尸体解剖方式，难以直接发现弹头射入人体体内的弹道痕迹。但如果借助于3D虚拟解剖技术，人体体内的弹道痕迹在3D图像中即可直观显示。

医学解剖的有力替代者

3D虚拟解剖技术的迅猛发展，使其有可能在未来，取代或部分取代现行的医学解剖工作。自20世纪下半叶起，医院已取消最低解剖率的标准。其医学解剖率从20世纪60年代的40%～50%，下降到当前4%左右。医学专业人士普遍认为，与高科技的图像、检测技术相比，医学解剖并不能充分了解有关病患诊断与治疗的关键信息。此外，医学解剖所需花费的代价，也让越来越多的医院不愿意进行较多的尸体解剖。在此背景下，3D虚拟解剖技术显然成为了未来医学解剖的有力替代者。通过这一前沿技术，也可以准确判明医生在对病患的诊疗过程中是否存在误诊，或是否弄错病人的死因。

高清“虚拟人”的重建

无论是医学专业的教学、科研，还是案件事实或死亡原因的查明，3D虚拟解剖技术所依赖的，均是通过现代CT扫描仪所获得的图像信息。为了能够模拟更为真实的尸体，科学家也在不断对该项技术予以改进和完善。有科学家提出设想，可以建立一个“虚拟人”，让操作者得以通过3D虚拟解剖技术，触碰到“虚拟人”身体的各个生理部位。根据这一设想，当前已问世的多点触控技术可以用来模拟真实的尸体，从而帮助操作者直接感触到解剖工作的存在。在这一技术的支持下，操作者能够直接感触到人体肌肉的组织、肌肤的纹理，甚至是腹部脂肪等。3D虚拟解剖技术不仅可以呈现出分层切片的虚拟影像，更可帮助操作者利用该技术模拟解剖刀切割皮肤、组织与人体组织的力度，并将这一过程完全呈现在电脑屏幕之上。不过，这一技术的开展，离不开一项重要的基础工作，即高清“虚拟人”的重建。所谓的“虚拟人”，即是通过电子计算机合成的3D人体详细结构。

为了取得人体详细数据信息，建立高清“虚拟人”，美国国家医学图书馆发起了一项名为“可视人计划”（Visible Human Project）的项目。参与此项目的科学家挑选出了一名男性和一名女性的遗体作为样本，分别对其进行了全身CT扫描以及磁共振扫描。随后，科学家对遗体采取冰冻处理后，使用精密切削的方式，将两具遗体进行了逐层横切，并制作成切片标本。其中，男性遗体的切片标本厚度为1毫米，而女性遗体的切片标本厚度仅仅为0.33毫米，极为纤薄精细。对于每一片薄片，科学家均需使用彩色数码相机对其切面进行拍摄，并将这一断层数据予以图像处理后，在电子计算机中建立起高清的3D立体“虚拟人”。经过这一精密方式所构建起的“虚拟人”，其解剖结构与真人完全一致。借助于高清“虚拟人”的构建，3D虚拟解剖技术的可视化、直观性将进一步得到提升。

编辑：黄灵 yeshzhwu@foxmail.com