三维图形影像显示技术在医学领域中的应用

曹利群，颜少明，李鸣皋，高 原，石 芊

人体各个器官的生理解剖和病理变化都呈现为三维立体形态，而医学教学图像、诊断用医学影像和各种内镜手术影像大都是二维平面图像，这种立体存在的平面化显示限制了医学培训的效果、诊断影像的解读准确性和手术操作的效率。作为21世纪发展最迅速的前沿科技，3D技术逐渐实现了高清晰度、高亮度、低串扰的三维影像显示，在医学领域的应用随之越来越广泛深入[1-2]，医学的发展为三维图形影像显示技术的革新和应用提供了强大的需求牵引，三维图形影像显示技术的进步也为医学培训、诊断和治疗提供更先进的技术支持。作者对国内外三维图形影像显示技术在医学领域的研究和应用作一综述。

1 三维图形影像显示技术为双眼视觉功能检查和训练提供了新方法

只有双眼视觉功能正常者才能体验到现代三维显示技术带来的立体空间感。立体视觉检查是双眼视功能评价体系一项不可或缺的重要检查，可以筛查出三维显示技术的适用人群。目前国内外主流立体视觉检查方法均以图册为载体，互补色或偏振光眼镜分离双眼图像获得立体感[3]，这些辅助眼镜降低了检查图的亮度和清晰度，对检查结果产生干扰。2016年，颜少明[4]应用三维光栅显示技术配合随机点立体视觉检查图的优化设计，研制出版了可以裸眼检查的《立体视觉检查图(第3版)》，提高了检查的环境适应性和准确性。采用现代立体显示器配合计算机检查立体视觉，可以灵活设置双眼视差检查级别、随机变化检查图案。近2年，中国人民解放军总医院第六医学中心与南京大学合作，应用裸眼立体视显示技术开发了裸眼多距离立体视觉检查系统，进一步提高了检查的拟真实感、系统性和准确性。

斜视弱视是严重危害儿童身心健康的常见病、多发病，在学龄前通过治疗获得立体视觉功能是能否治愈的一个重要前提，双眼视知觉训练是其中一个重要的治疗手段。但传统训练方法简单枯燥、载体陈旧、疗程长、疗效差。在虚拟现实系统(virtual reality，VR)[5]和立体显示系统环境下[6]设计运行的双眼视觉训练软件，以三维动画游戏的形式赋予了训练更多灵活性和趣味性，显著增加了治疗依从性和训练效率。

2 三维图形影像显示技术催生出沉浸式的医学培训新工具

将三维图形影像显示技术融入医学教学，可以帮助医学生解读结构复杂的医学图像，提高学习效率[7]。裴澄等[8]采用偏振光三维手术影像系统辅助白内障手术教学。2016年，上海瑞金医院实施了国内首例VR手术直播，为参与者提供了身临其境的手术体验，还能为医学生和低年资医生提供三维沉浸式医学培训[9]。既往外科医生通过解剖训练和动物实验培养手术技能，而通过三维显示感知术区空间结构，借由VR系统模拟的手术情境配合导师实时反馈指导，为医学生提供沉浸式手术培训，指导他们掌握三维人体解剖特点、熟悉手术过程、学习意外情况应对措施，将成为初学者尽快掌握手术技巧的一条新途径。

3 三维图形影像显示技术进一步提高了医学诊断的准确性和效率

在CT、核磁共振和超声等医学影像诊断领域中，为了更准确判断病变的位置和厚度需要增加拍摄层次对二维图像进行三维重建，三维立体显示不需要增加放射剂量就能更直观表达各部位的解剖特点和层次结构，提高诊断的效率和正确率。目前这一领域内的探索主要集中于眼底照相、乳腺X线检查和血管成像。

3.1 眼底照相 眼底结构层次复杂，三维显示立体眼底照片可以更直观显示视网膜的增厚和脱离程度与范围，更易于辨别眼底病变的层次，有助于糖尿病视网膜病变等眼底病变的精确诊断[10]；还有助于更准确界定评估视杯盘沿、视盘内壁倾斜度以及视杯深度，辅助青光眼诊断[11]。2010年出版的《立体眼底病图谱》[12]提供了大量立体彩色眼底照片和眼底造影图片，在立体镜下展示三维生动的眼底万象，充分体现出立体眼底照相对眼底病变诊断的重要性。

3.2 乳腺X线检查 有研究显示乳腺中微钙化灶的层次分布与恶性肿瘤的发生机率相关，但常规X线影像难以体现病灶的三维层次，经由乳腺立体X线摄影图片则可以迅速判断乳腺中不同结构和病变的空间定位[13]。三维图形影像显示技术在微钙化灶检出方面的优势已经得到乳腺活检结果的证实，这种新技术还有助于识别乳腺肿瘤的整体三维结构，提高乳腺病变检出的敏感性和特异性[14]。

3.3 血管成像 血管成像显示的是结构复杂、多层分支、内部互相连接的血管网络，经传统二维成像技术难以辨别。旋转成像技术可以显示血管间复杂的连接，立体成像则以更少的视角达到同样的效果[15-16]。三维血管成像有助于在血管内支架植入术前选择恰当的支架型号[17]，在植入后监测支架与血管间的空间关系[18]、尽早发现支架的扭曲等异常改变和及时给予介入治疗。

4 三维图形影像显示技术为手术规划及微创、机器人和远程手术打开了更加开阔真实的视野

4.1 帮助术者规划手术 术者在术前常要针对患者的解剖和病变特点制定个体化手术方案。通过三维图形影像显示技术结合VR系统不仅能够让术者提前反复体验术中所见[19]，还能模拟术中可能遇到的意外情况[20]，锻炼应变能力，为优化术前规划、提高手术成功率提供理想的平台。

4.2 缩短微创手术学习曲线 自20世纪80年代开始，微创手术逐渐取代传统开放式外科手术成为第二代外科手术。但此类手术要根据显示屏上的内镜所见完成操作，术者所见图像与实际存在大小差异而且缺乏深度线索。用三维图形影像显示技术展示双光路内镜拍摄的手术场景协助医生准确判断器械与组织器官间的距离，可以提高操作准确性、缩短手术时间[21]。有研究已经证实这种技术让学习腹腔镜手术的医生更好更快掌握手术技巧，而且使得微创手术中较复杂的步骤更易于完成[22]。

4.3 为机器人手术和远程手术提供更加真实的视野 达芬奇手术机器人的问世推动微创手术发展为精确微创手术，它所提供的全景三维、放大10～15倍的高清立体图像帮助术者更加清晰准确地完成组织定位和器械操作，为手术的精确性奠定了基础[23]。眼内手术机器人IRISS也采用了3D显示[24]。机器人手术促进了远程手术的发展，借助高速数据传输和远程信息控制，外科医生可以操控手术机器人完成远程手术，在这一过程中三维图形影像显示技术的融入拉近了术者与患者的空间距离，缩短了手术时间、降低了操作错误概率[25]。

4.4 增强现实(augmented reality,AR)手术导航 手术导航通过提供虚拟影像覆盖帮助医生精确观察和瞄准外科手术部位[26]。将AR技术引入其中为术者提供术区的深度线索并解决手眼一致性问题[27]。有研究者在超声引导穿刺手术中采用头戴虚拟显示设备明显缩短了手术时间[28]。还有研究者采用原位透视融合显示系统让术者穿透半透半返镜观察叠加到真实场景中的三维医学影像信息，作为实现AR手术导航的一条新途径[29]。

5 三维图形影像显示技术应用于医学领域需要克服的几个问题

三维图形影像显示技术在医学领域推广还存在一些问题[1]：①引入这项技术需要开发相应硬件设备，需要医生学习和适应新的显示模式，掌握新的操作技巧。②为了强调图像的深度线索需要加工修饰原始双眼图像，例如把遮挡目标器官的组织透明化，这样会损失原始图像的局部细节，影响诊断的全面性。3D眼镜的佩戴还会造成手术图像亮度的衰减，并给医生带来不适感[30]，因此有必要开发更具潜力的裸眼三维图形影像显示技术。③长时间辨识立体图像中的细节可能诱发眼痛、头痛、恶心等不适感。更值得注意的是，观看立体图像时观看距离、图像采集参数设置和显示器参数设置变化都可能影响对深度线索判断的准确性。只有认真分析上述问题并提出针对性的解决方案，才能进一步实现医学与三维图形影像显示技术的互相促进和融合发展。

6 小结

综上所述，尽管目前三维图形影像显示技术在医学领域的应用仍存在一些技术性问题，但其应用可以为医学生提供更具沉浸感的培训工具，可以提高影像诊断中对病变形状和位置判断的准确性，还可以进一步提高微创手术操作定位准确性，具有广阔的发展空间。目前已经推出VR版的《3D系统解剖学》和眼视光虚拟仿真实训系统,三维微创和显微手术在临床上得到了越来越广泛的应用，三维高清手术影像资料的积累已经日益丰富，三维虚拟手术训练、术前规划和术中导航系统也已经成为研究热点，二维医学向三维医学的转化已经启动。三维图形影像显示技术的融入和支撑会为医学生和临床医生打开更生动的三维视界，推动现代医学培训、诊断和治疗的方法与技术革新，显著提高医学培训与诊疗水平。