——腹膜后腔三维数字模型的建立及应用
王东文 张彬
山西医科大学第一医院泌尿外科
传统外科诊疗模式下，临床医师通常依据CT、MRI等影像学资料进行疾病诊断的复核、细化，以及相应手术方案的规划与设计，但随着“精准外科”理念的普及与“微创外科”技术的推广，这种凭借二维信息主观地拼接、想象病体三维解剖结构的模式，显然已经不能适应技术发展的需求。于是，计算机与生物医学领域融合下的数字医学技术悄然兴起，它使得CT等二维影像信息能够得以一种三维图形的方式呈现，这种客观、量化、直观获取影像信息的新方式，使得传统诊疗模式大有从“读片时代”向“阅图时代”变革的趋势。本文以泌尿外科中崭露头角的腹膜后腔三维数字模型的建立与相关应用研究作为切入点，就此现状做一介绍。
一、腹膜后腔三维数字模型概述
1．含义
三维数字模型，即以三维的方法进行建模，所模拟出的一个三维的结构、场景及效果，可用于直观、立体地展示三维空间结构，也可用于人工虚拟交互操作及工学分析等。
腹膜后腔三维数字模型，即以三维的方法模拟出的腹膜后腔三维结构及场景，是腹膜后腔解剖结构的数字化载体，是对该腔真实结构形态的虚拟再现。模型包含该腔隙内重要解剖结构如肾上腺、肾及其动静脉系统、集合系统、腹主动脉、下腔静脉及病灶等在内的多种结构，支持自由地旋转、缩放、透视、单独或联合显示，以及可视下的人工交互行为如测量和模拟切割等。
腹膜后腔之所以成为泌尿外科引入数字医学技术后首要的、成规模的研究区域，主要是基于以下两点：(1)腹膜后腔区域内解剖结构复杂，操作空间小且解剖标志不明显，加之解剖变异、病灶压迫等因素的存在，使得该区域共性及个性解剖特征不易掌握，手术难度和风险较大；(2)血管造影技术下的CT或MRI各期图像中，腹膜后腔各结构灰度值或层次分明，或有规律可循，且CT扫描的细节分辨力已达毫米级别，图像质量更加细致。而其他如尿道、盆底肌肉等数字模型的建立虽也有涉及，但由于源数据中结构间的对比不强，以致模型细节分辨力不足，准确度较低，研究与应用受限。
以三维的手法构建出腹膜后腔虚拟的解剖结构，能使医师更好地掌握该区域的解剖特点，从而为术前精细诊断、术前规划、术前3D模拟、术中定位导引，以及数字解剖、医学教育教学等提供帮助，因此逐渐受到了业内的广泛关注。
2．分类
由于在计算机内生成物体的三维模型主要有两类方法：三维正向建模和三维逆向重建，因而可将模型分为正向模型和重建模型两种。
三维正向建模，即使用几何建模软件通过人机交互，生成人为控制下的三维几何模型。由于所得模型是由建模者依靠主观认知制作的，其真实感高度依赖于建模者的操作能力，因此该法只适用于建立具有共性特征的、一般意义的演示模型，而不能针对个体完成模型构建甚至I临床应用工作，即便在建模前以真实的肾脏或参照物作为参考，也只能达到“高仿”级别，丙非真实还原的程度。
另一类一般称为三维重建，是利用二维投影恢复物体三维信息的数学过程和计算机技术，包括数据获取、图像预处理、图像配准与分割、三维重建及三维可视化等步骤，通过一定的手段获取真实物体的几何形状信息是该过程的第一步，因而该法所重建的模型是对个体化特征的真实再现。目前大多数文献中所提及的三维数字模型即是指经该法得到的数字模型。
腹膜后腔三维数字模型中的重建模型，因其既有解剖共性特点又有丰富个体特征，因而更具科学研究及临床应用价值。
3．别名
目前，针对腹膜后腔可视化的研究及应用逐渐成为热点，各方文章中对此内容的表述虽然不尽一致，如有“数字化肾脏”、“数字化肾结石三维模型”等名称，也有“肾脏及其周围结构的三维可视化模型”、“肾管道系统的三维可视化模型”等提法，但大同小异，其实质内容均为采用三维重建的方法实现对腹膜后腔解剖结构的虚拟再现，均属本文腹膜后腔三维数字模型的含义范畴。
二、腹膜后腔三维数字模型的建立过程
1．源数据
目前用于构建腹膜后腔三维数字模型的源数据一般有以下几种：一种为断层解剖数据，即将完整尸体标本经血管灌注、明胶包埋及冰冻后，从头至足逐层铣切并分层高清拍照，完成数据获取后按序整理，从而碍到人体结构数据集。它具有分辨率高、层距小、色彩自然等特点，较完整的体现了不同组织结构的纹理、密度、质地、颜色及形状等解剖信息。美国与韩国在拥有数字人数据集后便有学者对泌尿系统结构进行了三维重建，而我国继二者之后于2002年建立自有数字人数据集并进行了相关尝试。
一种为影像学数据，如CT、MRI或PET断层扫描后所得的二维图像，分别从组织密度、信号强度、能量场的不同信息，间接反映了各断面的形态、分子或代谢变化，所扫描对象大多为活体，亦有对离体器官结构经特殊灌注后再行扫描的研究。随着扫描设备的技术改进，影像扫描速度和数据质量的提高，所得二维断层图像数据的可用性和可靠性均大为提高，以数字格式数据为基础所重建模型的精细程度也逐渐提高。然而国内二维影像资料的载体绝大部分是CT胶片而非数字格式数据，患者多携带外院CT胶片来诊的情况屡见不鲜，为避免重复检查所带来的身体与经济负担等诸多问题，笔者成功地探索了一套自CT胶片建立能满足一定手术需求三维模型的方法。
其他为自数学建模、有限元分析或数值模拟、激光扫描与逆向工程等方法获得的数据，数学建模系将形态结构以数学公式表示，在断层上表现难以识别的神经、小血管等；数值模拟或有限元分析得到的一些间接参数可对数字模型进行补充和修正；而激光扫描与逆向工程等则主要用于解剖结构外表轮廓的形态参数调整。
2．技术方法
由分类可知目前腹膜后腔三维数字模型构建的技术方法也主要分逆向和正向两类。
其中，逆向过程即三维重建，无论是解剖断层或是影像学断层数据，均须经图像采集得到连续的数字断层图像，该图像再经预处理、配准、分割、重建等步骤生成立体的三维数字人体整体或局部模型。
根据重建时采用方法的不同，又可大致分为体绘制法和面绘制法。前者为每个像素赋予颜色和不透明值后，通过计算其对光线的积累，直接将三维体数据映射到显示器所处的某个二维平面上以供观察。该法虽然能够较完整地反映医学体的信息，但以牺牲绘制速度为代价，在CT／MRI扫描设备自带软件系统中常见到。我们所熟知的泌尿系统CT血管成像(CTA)、CT尿路造影(CTU)等即为此类方法所得到的三维图像。而面绘制法则将感兴趣的区域以等值面的方式抽取出来，提取其表面信息后，通过灵活地旋转和变换光照效果得到三维模型。该法绘制速度快、结构清晰，但牺牲了数据的完整性，所构物体为表面结构，即无内部信息的一个空壳。
体、面绘制法分别生成实体的体素模型和表面的几何模型。前者模型中每一空间坐标位置的体素均含有实体信息，常用于虚拟断层解剖的教学与研究；后者则重点描述解剖结构的空间外形，是虚拟仿真解剖的基础，该法实时性好，硬件要求不高，广大科研人员在个人计算机上便可完成，多用于解剖教学、虚拟演示及手术等。正向建模则一般使用具有数学表达式的曲线、曲面表示几何形状，现有若干软件支持，如3ds max、Maya、AutoCAD、UG等。研究者利用一些基本的几何元素，如立方体、球体等，通过一系列几何操作，如平移、旋转、拉伸以及布尔运算等来构建复杂的几何场景，国内如王威等便尝试了采用3ds max多边形建模方法构造泌尿系统部分器官的三维模型。
3．结果特点
正向建模虽有一定的测量数据作为参考，但所得模型的人工主观干预度高，因适于体现共性的解剖结构而不能准确展现个体化解剖特征，故其临床应用有限。
三维重建出的模型逼真、立体、形象，富含个体特征，其中由面绘制法构建的模型，解剖结构清晰，显示结构更全、硬件要求更低，临床医师可随时随地、自由地观察，但不含结构体内部信息。体绘制法所构模型相较前者而言，虽然灰度信息真实、完整，但结构间分界不够明显而仍需甄别，显示结构有限，且需高配置软硬件支持，临床医师使用不便。
三、腹膜后腔三维数字模型的应用
1．临床应用
在世界范围内，医患双方对“精准外科”理念的理解已不再局限于“最小入侵、最大保护”，而是不仅在经济与健康负担、手术风险与安全性方面形成了“最低花费、最佳效果”的共识，更在“个性化”诊疗方案设计上提出了新的需求。这不仅促进了精准外科理念的进一步丰富，更引发了人们对前沿科技下外科技术再创新道路的积极探索和开拓。
采用虚拟现实技术，在计算机上显示出具有三维效果的，可以任意移动、旋转和缩放的个体化图像，使得二维影像资料中所含信息得到了充分的挖掘，不仅使医师能直观、定量的进行诊断分析与手术规划，更可借助二维、三维鼠标或力反馈设备在术前进行手术过程的模拟预演，并在其后的手术中实现定位与导引。
过去的几年中，由CT／MRI扫描设备自带软件经体绘制生成的CTA、CTU等三维重建图像，以令人耳目一新的三维表现效果，受到了广泛的临床应用，但其显示结构有限，边界不够清晰，如对灰度值较低结构如部分静脉、乏血供的瘤体、造影剂不显影的集合系统结构等往往显示不金，对灰度值差异较小结构的颜色与边界区分不清，因而应用受限。
而近年来通过以面绘制为核心的重建方法并结合相应工具的使用，所重建的腹膜后腔三维数字模型在瘤体及肾动、静脉、集合系统等方面的同场景显示上具有着良好的显示能力，因而在涉肾尤其是保留肾单位的相关手术中，此项研究与应用颇受关注。如Lasser等、ukimura等重建出含肾动静脉、肾脏、瘤体等的三维数字结构，以辅助保留肾单位手术的精准实施，黎程等重建肾及其血管用以指导肾移植手术，Teber等还采用增强现实技术，由计算机借助置入术区的标定物来调整模型与脏器的匹配，从而将现实术野图像与模型以叠加的方式呈现到显示器上，用以实现术中定位与导引的目的。Dalela等建立出肾动静脉、肾脏、集合系统及结石在内的数字模型，以规划取石手术的入路设计，Rassweiler等还将模型的影像投射在现实图像上，以期指导经皮肾镜碎石取石术(PCNL)的穿刺过程。
笔者课题组则不仅以数字格式数据作为源数据，更以CT胶片所载信息作为数据来源，探索并建立了基于CT胶片腹膜后腔个体化三维数字模型的系统方法，开展了相应的临床应用研究，所涉范围涵盖肾上腺囊肿及腺瘤、肾囊性疾病及肾肿瘤、肾盂输尿管结石及连接处梗阻、腔静脉后输尿管等疾病及相关术式。总的来说，目前国内外研究人员广泛采用了这样的模式：术前行CT增强扫描，经三维重建后细化定位诊断，通过对三维模型的测量、模拟操作、虚拟与真实图像的对比或叠加显示(增强现实技术)实现术前规划与术中定位导引。
2．科研与教学
由于腹膜后腔三维数字模型是该区结构的数字化载体，是借助虚拟现实技术将结构的形态和空间毗邻关系的真实再现，它包含了丰富的共体及个体特征，不仅是腹膜后腔相关仿真实验、数字医疗、虚拟医疗训练等的基础数据平台，更为医学、生命科学等的研究和应用提供了坚实有力的基础与技术支撑。
在当前的继续教育与教学方面，由于尸体标本模型的缺乏，二维图谱空间表现力的不足，以及仿真实体模型在细节表现上的局限，临床医师在社会对高水平医疗人才的需求压力下成长得步履蹒跚。而虚拟的腹膜后腔三维数字模型不仅有着成本低廉、可重复使用、易于获取与传播等特点，还可接受任意地编辑与模拟操作，是解剖学标本的最佳替代方式，可广泛用于虚拟手术模拟、数字解剖学教学及人体科普知识系统等的研发。
四、腹膜后腔三维数字模型的优势与挑战
腹膜后腔三维数字模型是腹膜后腔数字化应用研究的基础平台，是泌尿外科数字医学技术系统研究的第一落脚点，更是庞大的“数字入”范畴中的局部模型之一。它对局部解剖结构及结构间毗邻关系直观、精细地呈现，以及对相应的虚拟操作等人工交互行为的有力支持，均显示出其在临床诊疗活动、医学教学与继续教育、临床技能仿真培训、人体工效学等与人体活动有关的领域中具有着广阔的应用前景。
然而，由于目前模型的主要功能是展现区域内主要结构的形态及毗邻关系，尚未从对形态特征的展示上升到对物理特性，甚至生理特性的真实再现，因而细分开来，现阶段尚处于数字泌尿外科中局部结构研究乃至数字人研究的初级阶段，即腹膜后腔三维数字“可视”模型阶段，未来尚需向腹膜后腔三维数字“物理”模型，甚至“生理”模型阶段迈进。
由此可见，蓬勃发展的数字医学技术，使得传统诊疗活动逐渐地摆脱了以晦涩难懂的二维断层图像为特征的“读片时代”，而走向以直观、精准的三维图形为特色的“阅图时代”，伴随着这一变革，“数字泌尿外科”悄然兴起，结伴同行……创新的道路是漫长而曲折的，但有泌尿外科同仁们的团结一致，共同努力，我们有理由相信，泌尿外科数字医学技术研究的前途定会更加远大、光明。
来源：中华腔镜泌尿外科杂志