人体血管三维重建图像在影像解剖学中的应用

2019-08-29陈丹丹李鹏柏严赵研曹文利勾若宇

科技视界 2019年19期

陈丹丹　李鹏　柏严　赵研　曹文利　勾若宇

【摘要】目的：构建基于CT图像后处理技术的人体血管三维图像数据库，用于观察其在影像解剖学学习中应用效果。方法：对照组为我学院2016级影像技术专业学生，使用解剖图谱等传统学习方法。研究组在学习中使用基于CT后处理技术的正常人体血管系统图库。两组学习结束后同时进行考试并填写调查问卷，进行统计学分析。结果：对比两组同学的成绩平均值，研究组学生的测试平均值为（82.59±4.28）分，明显高于对照组（71.45±3.78）分，差异具有统计学意义（P<0.05）;对降低学习难度、易于理解和记忆、提高学习兴趣、学习效率的提高、血管三维数据库的满意度进行调查，结果显示，研究组学习效果评分结果均优于对照组，各项评分结果比较差异均有统计学意义（P<0.05）。结论：在影像解剖学学习中使用基于CT后处理工作站构建的人体血管系统三维图像数据库可有效提升影像解剖学中血管系统的学习效果。

【關键词】血管系统;三维重建;数据库

中图分类号： R322;R319文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）19-0225-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.108

影像解剖学是利用医学影像学成像方法研究人体正常形态结构的一门学科，对掌握良好的解剖学知识，理解人体各器官的形态结构、位置和毗邻关系及相关成像技术至关重要，血管系统影像解剖的学习是难点之一，其呈现方式包括血管断层图像及各种造影图像，要求学生具有很好的空间想象力，在脑海里建立起血管系统较为完整的空间走形分布，这也是解剖课程学习中的一大难点。以往的学习中主要采用血管影像图像与解剖图谱相结合的方法，学生对血管的走形分布的理解往往不能形成立体、直观的印象，对教学和学生学习都具有一定难度[1]。本课题研究利用医学影像图像后处理工作站，对人体主要大血管进行三维重建，构建出血管系统三维数据库用于影像解剖学教学，将血管系统的形态分支立体的展现，以降低教学难度和学生学习难度[2]。

1 材料和方法

（1）一般材料利用西安医学院医学影像实验中心PACS系统中CT血管扫描520例，其中性别、年龄不限，扫描方式为多层螺旋扫描，管电压120kvp，管电流自动调节，层厚0.625～1.25mm，重建间隔1.6mm，螺距1～1.25。随机选取60名学院2016级影像技术专业学生设为研究组和对照组各30人。

（2）构建人体正常血管三维图像数据库精选人体血管螺旋CT增强图像数据导入影像图像后处理工作站中重建人体血管系统三维图像，具体包括容积再现（Volume rendering VR），表面影阴遮盖（Surface Shaded Display SSD）、最大密度投影（Maximum Intensity Projection MIP）等，利用图像三维处理的阈值设定选择拟重建部分，尽量使图像方位角度、主要结构及附属结构得到最优显示，并对图像进行切割，选取兴趣区域。对三维重建获得的图像标注正确的结构名称，按照部位分类编号存储，构成人体正常血管三维图像数据库。

（3）影像解剖学学习效果对比将构建的人体血管数据库应用到我学院2016级影像技术专业学生影像解剖学的学习中，设立研究组及对照组，各随机选取30名志愿者，研究组学生在学习期间使用血管三维图像数据库辅助课程学习，对照组则是传统教学模式。学习结束后对两组学习效果进行试卷测试及问卷调查。试卷内容及调查问卷自行设定，调查项为是否降低学习难度、是否易于理解和记忆、是否提高学习兴趣、对三维图像数据库或传统教学的满意度及是否提高学习效率，对五项进行量化打分，再统计分析，评分标准参考LIKERT五分量表法。

（4）统计学方法应用SPSS21.0中文版软件进行数据分析，t检验进行两组统计结果间比较，两组对比具有显著差异， P<0.05，具有统计学意义。

2 结果

（1）两组学生的成绩测评研究组学生的测试平均成绩为82.59±4.28分，及格率为100%。对照组学生的测试平均成绩为71.45±3.78分，及格率为80.31%。研究组无论是平均成绩还是及格率均高于对照组，差异具有统计学意义（P<0.05）。

（2）两组学生的学习效果反馈采用人体血管三维数据库明显降低了学习的难度，提高了学生学习兴趣和效率。与对照组相比，研究组对三维图像数据库的满意度更高，认为其更易于理解和记忆，对影像解剖学的学习有很大的帮助。两组学生的学习效果比较、差异均有统计学意义（P<0.05），见表1。

问卷分别设置了以下五个问题，采用五分制对问题进行打分。结果如下。

表1 两组学生的学习效果反馈比较[3]（X±S，分）

3 讨论

1）图像后处理技术的选择血管系统数据库应用后处理技术依据其不同部位血管的特点及观察目的选择不同方法[3-4]：（1）表面阴影显示（SSD）只保留所选CT阈值范围内的像素，可观察只保留部位的血管结构，将超出CT阈值的像素透明处理，并采用计算软件模拟的光源成像技术得到重组的三维图像，立体感、真实感很强，完整展现解剖结构的三维形态，逼真地显示增强血管的空间解剖结构，在血管互相重叠和扭曲部对动脉与周围组织的空间关系显示比MIP更加直观易理解，但受阈值影响明显，如果阈值调节过低，血管的显示毛躁，周围组织就有过多的显示;阈值调节过高，就会出现一些假象，同时显示小血管分支受限制。（2）最大密度投影（MIP）是将沿视角方向上的数据中的最大CT值的像素保留，且被投影到二维平面上，得到重建后的图像能够充分展现出组织之间的高密度，以及密度之间的差异，且可以任意角度旋转及对感兴趣区域外的重建，能显示出细微密度差别。MIP技术在SSD技术的基础上进行，能使图像的层次感更强烈。因其反应的是像素的最大密度值，因此周围高密度的结构可能影响对动脉血管的观察，为了能更清晰的显示动脉，必须进行大量耗时的编辑减切工作，同时能显示更多次级血管分支。主要优势是能较好显示小血管及强化不佳的血管结构。（3）容积再现（VR）是通过对三维图像的预处理，将三维数据投影到二维屏幕上，其保持了其保持了原图像中的模糊信息，在原图像物体边界难以清晰分割时具有较大优势。VR图像立体感丰富，边缘柔和，可准确观察血管整体形态及空间定位，在重建中细节显示真实，特别是对复杂解剖结构如血管的观察有很大帮助，不丢失容积数据，可任意角度、任意方向轴向旋转，不需要调节阈值，且可以保留二维数据信息，对血管的显示能弥补SSD的不足而得到最大程度的保留，有利于在不同角度与平面显示所保留的血管结构。

（2）人体血管三维图像数据库在医学影像解剖学学习中应用的优势本研究中利用螺旋CT增强扫描数据和影像图像后处理技术构建人体血管三维图像数据库，直观、形象地展示血管解剖的三维结构，使初学者明确血管在人体中的具体走向、形态与周围组织的毗邻关系，更易于学生对人体血管走形分布的理解，将标本、图谱不易观察的血管结构清晰显示，克服了传统教学的不足[5]。形象的三维图像，激发学生主动学习的兴趣、活跃学习氛围、提高学习效率的同时进一步提高教学质量。另一方面三维数据库为电子读物，通过手机等信息化工具可随时随地浏览学习，在遇到问题时也可随时在线上交流并在没有纸笔的情况下及时做好标记，具有实时性、高效性、方便携带不易丢失损坏，弥补了传统解剖教学中结构显示不清难以理解、标本缺乏[6]、易毁损、图谱厚重不方便携带等困難。另一方面也推动了教学的发展，使教学形式更具多样性、先进性。通过调查使用三维数据库的研究组表示形象的三维数据库、不同伪彩的视觉冲击能够激发大家主动学习的兴趣并提高学习效率。对调查数据分析后发现，相比于对照组对传统教学在降低学习难度、易于理解和记忆、提高学习兴趣及提高学习效率等多项内容的评价，研究组对三维图像数据库的评分明显更高。值得一提的是对照组满意度2.07±0.63分，而研究组满意度达到3.13±0.57分，说明利用现代信息化工具和影像数据库相配合是目前受学生欢迎的一种学习方式，这也提醒我们今后教学发展的趋势和方向。我国近些年电脑技术以及移动通信技术得到了飞速发展，多媒体教学系统在教育教学得到了一定程度的普及，但是多媒体教学更多的方式是播放PPT以及相关影像资料，其教育传播能力较强，但是对影像解剖学该类医学教学领域，传统多媒体教学以及标本学习其教育作用进一步降低[1-7]，现如今利用三维数据库配合多媒体教学，有利于学生在课堂上通过人体血管三维图像了解人体血管解剖结构，使学生产生更为直观的感受，增强视觉冲击，学生学习效果增强显著，极大地简化教师的表述，增进学生的理解，提高学生主观求知的积极性、便利性，促进学生学习内容及形式的多样化，对提高教学质量具有积极作用，是一种实用的教学及学习手段。

（3）研究的不足之处血管系统三维数据库在影像解剖学教学中有着极大的优势，但也存在明显的不足[8]。图像数据库的构建工作量巨大，需选择较好的血管增强病例，细致化图像分割处理工作，要求制作者具有良好的血管解剖学基础，并有足够的耐心、精力。另外，在解剖学尸体标本上血管解剖结构众多，一些细微结构众多，而本研究中构建的血管图像数据库血管远端精细化程度尚不足、只能提供一些相对较大的血管数据供大家学习。数据库中的血管解剖结构是由三维重建而来，颜色也是人为着色，与实际的尸体标本有一定的色差，因此血管解剖知识的学习不能完全依赖于血管系统三维数据库，仍需要人体标本和三维数据库的相互结合[9]。同时操作者图像后处理经验有限，存在图像重建技术选择不当，导致图像在一定程度上失真。基于以上原因本研究所构建三维图像数据库尚不够完善。

综上所述，基于CT图像后处理技术的人体血管三维数据库在影像解剖学血管系统中的应用可以降低学习难度，使得学生更易于理解人体血管的空间分布、走向、形态与周围组织的毗邻关系，为后期学习影像诊断学、介入放射学等专业课程打下坚实的基础。同时也降低教师对人体血管讲解难度，提高了授课效率[10]。另一方面随着现代信息化技术在医学领域的不断深入，数字医学已渗透至整个医学科技领域[11-13]。教学已成为我国乃至世界医学教育改革的主要方向，它不仅将改变传统的医学教育观念，而且有助于医学教育教学质量和效果的提高。因此，该方法的应用极大地提高了学生的学习效率和质量，有效地推动了医学教育的发展方向，是一种简单、易行且有效的人体血管影像解剖辅助学习手段，有一定的推广价值。

【参考文献】

[1]侯国华.数字化人体图像和三维模型在解剖教学中的应用探析[J].医学理论与实践，2019，（4）：617-619.

[2]潘存雪，党军，赵建卿，等.CT三维重建心脏立体模型在心脏大血管X线平片教学中的应用[J].继续医学教育，2015（8）：21-22.

[3]马锦怡，李鹏，喻国艳，等.基于CT图像后处理技术人体骨关节系统三维图像在影像解剖学学习中的应用价值[J].海南医学，2018，（14）：1991-1993.

[4]张龙江，卢光明.全身CT血管成像诊断学[M].北京：人民军医出版社，2012.37-46。

[5]陈丹，刘小菊，张美芝.浅析虚拟仿真技术在人体解剖实验教学中的应用[J].解剖学研究，2018，（3）：227-229.

[6]陈立东.浅谈数字人解剖系统在解剖学实验教学中的应用[J].卫生职业教育，2019，（5）：83-84.

[7]姜云传.数字化人体图像和三维模型在解剖教学中的实践研究[J].求知导刊， 2017，（8）：115.

[8]樊友文，黄飞，陈阳，等.三维可视化技术在肝胆胰外科的应用现状及前景[J].中华肝脏外科手术学电子杂志，2019，（1）：22-25.

[9]罗春材，王强，黄自立，等.探讨冠状动脉CTA三维后处理的规范化显示及其数字化教学平台的构建模式[J].医疗卫生装备，2017（11）：59-61.

[10]王松涛，陶晶，崔卫刚，等.数字人解剖系统在解剖学实验教学中的应用初探[J].中国高等医学教育，2018（2）：84-85.

[11]曾祥宏.“数字人”在人体解剖学教学中的应用[J].长江大学学报：自然科学版，2012，（10）：70-71.