三维影像后处理推动医学

CT、MRI、ECT等断层影像技术,以及DSA、CR、DR等数字摄影技术的出现,实现了的数字化图像处理,使医学图像信息的采集、存储、传输、处理和显示等发生了前所未有的变革,并由此产生了多种医学图像三维重建和后处理技术.包括三维后处理在内的影像医学检查技术,将会是“个性化医学”的核心和基础,有专家预测,个性化医学将改变传统的诊疗模式.

影像融合是大势所趋

“影像融合”是近来被国内医学影像界提及频率很高的一个词,7月19日,由中国医科院主办的“首届医学影像高峰论坛”在北京举行,该会议的主题即为“融合共赢”.复旦大学副校长、中华医学会放射学分会主任委员冯晓源在会议间隙接受《e医疗》专访时说：“影像医学必然要以影像为根本,但这个‘影像’不是CT、核磁等单种技术的图像,而是多种影像的融合.从目前以形态（解剖）为基础的诊断向功能诊断、分子水平诊断的发展过程中,影像融合是必经的阶段.”同样的内容,他在2012年的中华医学会放射学分会年会上也提到过.

中国医科大学附属盛京医院院长郭启勇认为,以内、外科为代表的临床学科对影像检查的依赖性日益增加；以产前诊断为代表的特殊学科对影像检查的需求认识不断加深；综合影像诊断的重要性被临床广泛认知等知识附加值在影像诊断中将日益显现.

诚然,影像对于临床有着非常重要的作用,而影像医学的发展也必须围绕临床进行,因为作为“医技科室”的影像科,其终极目的必然是为“医”提供怎么写作.

影像融合概念的提出,与医学的发展方向有着直接的关系.未来医学的发展将朝着以预测（Predictive）、预防（Preventive）、个性化（Personalized）和参与性（Participatory）为特征的P4医学方向进行,这正在逐渐成为医学界的共识.冯晓源认为,个性化医学将是新医学模式的核心之一,而影像医学检查技术,将可能是个性化医学的核心和基础.改变诊断模式,适应新医学发展的要求,不仅能改变影像医学式微的趋势,更能让其走向具有广阔前景的康庄大道.影像融合,是大势所趋.

随着科学技术的发展,越来越多的影像检查设备开始提供标准DICOM格式的影像数据,从技术上解决了影像融合的问题.而影像学科因细分而导致的碎片化,却在阻碍着影像融合的进行.中国影像医学奠基人之一、中国工程院院士刘玉清教授一直提倡“大影像”,他呼吁所有的影像部门一起工作,把基于不同成像原理组成的图像放在一起,并在此基础上提取有用的信息进行融合.冯晓源认为,影像的融合更应该是学术上的融合,是各学科知识点在融合的图像上的呈现.他说：“影像医学应该从原来提供单纯的影像学信息――主要是形态学信息――向提供生物学信息进行转变.”

事实上,影像融合现在已经不仅仅只是影像医学的愿景,有些医院已经开始了相应的实践,中国医科大学附属盛京医院就是其中的一个先行者.目前,该院已经尝试将不同学科领域（如化学、计算机、生物工程）的人才引入影像学科,企图打造一个全新的融合影像学科.

三维重建与PACS

根据医学图像所提供的信息,可将图像分为解剖结构图像（CT、MRI、B超等）和功能图像（SPECT、PET等）.解剖图像以较高的分辨率提供了脏器的解剖形态信息,但无法反映脏器的功能情况；功能图像分辨率较差,无法提供脏器或病灶的解剖细节,但它提供的脏器功能代谢信息是解剖图像所不能替代的.由于成像原理的不同所造成的图像信息局限性,使单独使用某一类图像的效果并不理想.这就需要对影像进行包括图像融合在内的图像后处理,三维重建是其中的内容之一.

所谓图像后处理,是指对获取的图像进行处理、使之满足各种需要的一系列技术的总称,最典型的技术包括图像分割和三维重建.通过一定的图像分割操作,切除任意不感兴趣的数据集,仅保留要处理的部分.分割技术可以使医生排除无关图像的干扰,看得更清楚,自然得出的诊断结论也更准确.而三维重建则是根据一系列二维的医学图像,经过多重处理,提取不同物体的边界数据,得出物体的三维模型,并允许对模型进行显示、旋转、缩放等操作.三维模型的重构可以为医生提供多角度立体的视角,从而使医生方便、快捷地对病灶进行定量的分析和处理,提高诊疗水平和效率.

三维影像的获取有两种方式：设备获取和PACS获取,设备获取可分为CT、MR等设备自带工作站和专业的三维影像工作站.专业三维影像工作站功能强大,能够提供信息更丰富、品质更精细的三维图像,而另外两种途径获取的图像品质相对较差.

PACS作为一个获取、存储并提供调阅医学图像的综合应用平台,其看图模块能对图像进行各种二维处理,而三维处理功能并不是所有医疗信息化厂家提供的PACS产品都支持的功能.PACS可以集成三维后处理功能,这样就可以进行影像的三维重建.PACS是一个数字运行的平台,是一个更大的概念,重建后的三维影像可以通过PACS进行存储、传输和查看.

融合了三维影像后处理功能的PACS,以所获取的DICOM图像为基础,对其进行重建、分割等处理操作,使医生可以更全面地观察医学影像,从而扩充了PACS看图模块的功能,取得了更理想的诊疗效果.把图像分割和三维重建技术结合起来使用,将最大限度地发挥后处理功能.诊断医生通过医学PACS系统得到患者的图像信息,在看图模块中进行简单的处理之后,如果发现还不足以做出确切的诊断,就可以利用三维影像后处理系统先重建出患者检查部位的三维立体模型,分割操作可以去除不感兴趣的干扰部分,各种旋转平移操作可以给医生更多的信息,最终做出合理的诊断.

综上所述,三维影像后处理系统处理的影像来源主要是PACS,各方面都要得到PACS的良好支持,既可以成为PACS的辅助模块,也可以单独成为一个独立的软件系统.

三维重建的医学应用

三维影像的应用主要体现在临床上,比如在做手术时查看病灶和周围血管及组织之间的关系,帮助临床医生进行手术计划的制订.《中国放射学杂志》编辑部主任高宏说：“3D影像技术在疾病的诊断、治疗和基础研究方面有着广泛的应用,在肿瘤疾病上的应用更为广泛,很多肿瘤的介入治疗和放射治疗都是通过三维成像引导来完成治疗计划的制订的.”除了高宏提到的肿瘤疾病的治疗,三维影像在骨科、心血管等临床外科的应用也较普遍.北京大学第一医院泌尿外科要求每个肾癌病例都要进行三维重建,有着一套严格的对肾癌进行三维重建的要求：重建哪几个解剖的位置、重建哪些血管和肿瘤的关系等等.该院呼吸内科开创了用呼吸内镜把肺气肿病变切除的手术,该院影像科主任王霄英评价：“内科把外科的活干了,开拓了一个全新的领域.”

不仅仅是在临床,目前三维重建在诊断、教学和科研方面的应用也已经初具规模.郭佑民认为,三维影像在放射科的应用会越来越多,“对于放射科医师而言,除了观察断面图像之外,结合3D技术可以为临床提供更多更丰富的诊断依据.”他说.

并不是所有的影像从业者都认可郭佑民的观点,在采访中部分放射科主任认为,作为诊断工具来讲,三维影像对放射科的帮助并不大.放射科医生一直都是通过二维影像做诊断,经过多年的专业训练之后,他们已经可以透过二维影像在脑海中重建三维结构,此外,三维影像并没有提供更多与诊断相关的信息.倒是对临床医生而言,三维影像更能帮到他们.

青岛大学医学院附属医院副院长董则在科研方面进行了探索,国家“十二五”科技支撑计划课题“小儿肝脏肿瘤手术治疗临床决策系统开发”就是由他领衔的.董和他的团队希望在国际上首次将中国各年龄阶段儿童和成人肝脏进行数字化虚拟测量,建立中国儿童肝脏数据库和小儿肝脏肿瘤立体模拟手术系统.

在教学方面,郭佑民认为3D影像与2D影像相结合,有利于学生对影像学结构图像的理解和应用.“因为医学生从学习人体解剖课程开始,就逐步地建立了人体组织和结构的空间概念,而对横断面的2D图像理解不够透彻.借助3D图像可以更好地对照和理解每一幅2D图像与3D图像的关系,为后续的学习奠定基础.”他说.

三维重建的发展方向

三维重建在医学上的应用已经较为普遍,其重要性正在越来越多地得到认可.如何充分利用三维影像的优势,更好地为医学怎么写作,学术、临床及产业界都在进行着积极的探索.

影像引导的放射治疗

影像引导的放射治疗（IGRT）是一种前沿技术,通过放疗前以加速器自带的CT进行扫描,采集并重建三维图像,与治疗计划图像配准后再实施治疗.这样可以克服因治疗摆位和肿瘤位置移动所造成的误差,确保在精确照射肿瘤的同时,将对其周围正常组织的损伤降到最低限度,全方位提高效果.它在三维放疗技术的基础上加入了时序的概念,可以说是一种四维技术.

IGRT可从定位、计划到治疗实施和验证等方面创造各种解决方案.它充分考虑了解剖组织在治疗过程中的运动和分次治疗间的位移误差,如呼吸运动、小肠蠕动、膀胱充盈、胸腹水、日常摆位误差、肿瘤增大/缩小等引起放疗剂量分布的变化和对治疗计划的影响等方面的情况,在患者进行治疗前和治疗中利用各种先进的影像设备对肿瘤及正常器官进行实时监控,并能根据器官位置的变化调整治疗条件,使照射野紧紧“追随”靶区,做到真正意义上的精确治疗.

高级影像中心

四川大学附属华西医院目前正在计划建立C（AdvancedVisualizationCentre,高级影像中心,也称3D中心或三维中心）.

西门子大中华区影像和知识管理总经理王峻介绍,C模式是以临床需求为中心而设计的影像信息系统,其所有的活动都是围绕着临床的某些诊疗需求而设计的.他说：“C改变了传统影像科的工作模式,使其更贴近临床科室的需求.C把大量之前只有在放射科才能访问到的高级图像处理软件的浏览权限向临床科室开放,使临床医生大为获益.C模式还将改变放射科的报告不受临床科室重视的尴尬状态,使得放射科的检查、处理和报告可以全面地为临床治疗怎么写作,并为临床医生提供大量其需要的辅助信息.相信C能为医院诊断和治疗这两个重要的医疗行为找到更好的合作模式.”

华西医院放射科高级工程师王跃介绍,C所特有的各种结构化报告,能协助放射科在临床科室的亚专业和放射科的亚专业之间形成对接,这种一对一的沟通和协作,可以为临床中的不同疾病和亚专业提供更准确而有用的个性化、专业化报告,在提高放射科医生诊断报告价值的同时,也能提高放射科报告的利用率和实用性.

王跃说：“C的建设不仅能够大大加强放射科与临床科室的互动,使得临床更加需要放射科的工作以便更好地为患者怎么写作,而且能够提升放射科自身的实力和水平.C代表了未来的放射科-临床科室工作模式,完全可以称为诊疗模式的一次革命.”

3D医学打印

据《健康报》今年7月报道,北京大学第三医院骨科刘忠军带领的团队在脊柱及关节外科领域研发出了几十个3D打印脊柱外科植入物,其中包括颈椎椎间融合器、颈椎人工椎体及人工髋关节在内的三个产品已经进入了临床观察阶段.报道称,已经有近40位颈椎病患者和髋关节病患者在签署知情同意之后,植入了3D打印出来的骨骼.

3D打印技术,是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品.3D打印技术又称“增材制造”,长期以来被应用于制造珠宝、电子产品和汽车部件模型,然而如今的工业3D打印机也在造福医疗领域,它们已经可以写作人体肝脏和肾脏的模型,而科学家们也正在研究如何用3D打印机打印胚胎干细胞和活体组织,目标是制造出能够直接移植到受体者身上的人体部位,先进的3D打印机目前已经开始走进医院.

医疗行业（尤其是修复性医学领域）存在大量的写作化需求,难以进行标准化、大批量生产,而这恰是3D打印技术的优势所在.目前,3D打印技术在助听器材制造、牙齿矫正与修复、检测肢制造等领域已经得到了成功应用,且应用已经相对比较成熟.

但是,要想走进全球各地成千上万的医院手术室,3D打印技术还面临许多障碍：第一,用于制造器官模型的3D打印机售价在25万美元至50万美元,小医院难以负担；第二,大多数医生不会使用3D打印机,所以医院还需要技术人员来操作3D打印机并把医疗图像转换为可以打印的3D数据.

任何新技术从实验室进入市场都要经历一个漫长的过程,可以肯定的是,3D打印技术的普及带来了商业模式的创新,设计师、加工厂以及用户之间的交流和交易成本大大降低,甚至已经模糊了彼此之间界限.新的商业模式不仅满足了个人的创造,还可以将其转化为商业盈利,反过来必将进一步推动个人3D打印需求的增长.可以说,3D时代正在一步步走进现实.

（刘林森老师对本文亦有贡献）