医学图像诊疗向导在当今的医学界已经有广泛的应用。以后的科技的发展将帮助医师们提高诊断效果。医师们可通过定量分析与仿真模拟技术来制定治疗计划和外科手术。这种定量医学技术的最基本要求是创建高仿真的患者3D模型，这些模型可以真实的反映人体的构造。我们展示基于amira?软件的3D几何重建和可视化工作中的一些个案研究，以此来示范医学中的患者几何模型的效果。

1、介绍

随着技术方法的改进，医学通过新的透视技术不断冲破医疗技术的局限。治疗变得越来越复杂，而且要求精准，这只能通过详细地计划甚至仿真才能达到。CT 和MR扫描仪以高辨率图像栈的形式生产数据。然而, 用一堆二维切片图像表达复杂三维空间结构和空间关系是非常困难的。扫描数据本身就是三维的，所以观看这些数据最普通的方法就是计算建立3D结构和用真三维来显示数据。如果要进行数字模拟或数字定量，用表面网格来描绘实物重要部分结构的将变得非常重要。

3D可视化和数据分析技术在去年已经取得很大的改进，一些相关软件和3D显示程序也很容易使用。看一下该领域中的一些研究人员的吸引人的成果。人们对真三维可视化的兴趣不断增长。可视化不仅仅局限于在二维面（如：平常的显示器）上显示三维模型，除此以外还可通过有立体感的图像来支持人类视觉系统的完整的空间感知。

在这一项研究中，我们示范了三维可视化的重要性和冲击力，通过三种不同的应用（高温治疗计划、面部整容手术计划和血管网的研究）来示范几何重建技术。我们简要的描述一下每个应用，并且讨论一下在每个应用中真三维可视化所带来的不同好处。

２、方法和工具

本文中研究的所有方案都已被ZIB执行过，并且在amira?系列软件上实现。amira?是一个通过读取3D医学影像来建模、可视化的软件，不仅简单易用，而且支持许多文件格式，包括DICOM输入。amira?软件通过不同的观察手段来观察体数据，如：切片观察、等值面和直接体绘制等。首先，用一些数字滤波器（digital filters）作进一步的数据处理。接着将对获得的几何模型来分割。amira?软件的分割编辑栏中有一系列的手动、交互式和自动的分割工具，如：阀值选择(thresholding) 、区域增强（region—growing）、智能剪（intelligent scissors） 内插（interpolation.）等。不同阶段和方向的分割都可以在3D显示器中显示。

用分割的结果，建立表面三角网来表现模型。当然可以进一步的操作处理，如：简化、平滑和量测等。表面三角网也可被转化成四面体格来进行有限元模拟。另外amira?系列软件具有卓越的表现力。除了产生图像快照和3D动画直接输出，amira?软件可在真三维立体显示驱动中观察医学影像。

3、高温治疗计划

   使用微波灼烧肿瘤细胞，来削弱细胞活性，以达到治疗肿瘤的目的。操作人员用无线电发射器来控制微波。在这个过程中最具挑战性的是设定最优化参数，刚好使肿瘤区域被灼烧，同时尽量避免周围组织遭到破坏。这些都是仪器操作人员来控制的。所以，必须要有病患的骨骼和软组织模型来模拟微波的传播。病患模型生成和使用模型的步骤包括：图像分割、标记图像数据、重建、表面后处理、体格生成、有限元模拟和多通道显示技术。同时，三维模型也可用来观察病患的体温分布。医生可用肉眼看到被治疗区域是否合适。更重要的是可以进行邻域鉴定，以避免重要组织被影响。
 
 

 图1：左图：病患和治疗仪；右图：基于热传递研究的人体切割模型

4、面部整容手术计划

第二个是面部整容手术中颌部调整的例子。这一操作考虑手术切开的位置和最后颌的位置。所以外科医生一定要考虑手术后的美观程度。因此要用CT 扫描数据来建立颌骨和面部软组织的三维模型。外科医生可以在三维模型中定义切线和重新定位颌骨的位置。通过复杂的有限元模拟，面部的软组织变形结果就会显示出来。产生一个面部的术后效果图。这样便于医生和患者之间的交流。可以给患者一个对比术前和术后的效果。如果没有面部的3D模型，是很难达到这样的效果。 #p#page_title#e#
 
 

图2：左图：头部颌骨模型；     右图：术后效果预测图

5、血管网的研究

使用 3D立体模型的另外的一个例子就是模拟人类的皮肤上的毛细血管网络。这里,研究人员对皮肤上的毛细血管的血流量和流动过程的统计模型感兴趣。

为了达到这目的，用高辨识率 CT扫描 图像来建立皮质组织上的毛细血管网络模型。用血管段长和直径等主要参数来绘制一个曲线图。基于这样的表示方法,研究员能模拟非常复杂的网络血流量和扩散。另外，曲线图表示法允许使用者交互式操作、显示和探究血管网络, 在视觉上比较个别患者的血管构造, 来重建数学模型。
 
 

图三：左图：患者三维仿真图         右图：部分（1mm3）人体皮质组织毛细

（红色区域是需高温治疗的区域）    血管网络图(颜色代表不同的血管半径)

6 结论

我们简单描述了三个医学 3D立体可视化，数据分析和几何重建的应用。在每个例子中，我们已经说明真三维模型和立体观测的重要性。我们可以得出三维可视化技术有如下特征：

l  观察复杂三维结构

l  真实自然再现空间关系

l  模拟结果的视觉信息（无论对专家还是非专家）

l  相应数据集的视觉比较

l  重建模和模拟的视觉仿真

在这篇文章中我们只说了现有3D可视化不同应用方面的一小部分的例子。我们相信，在不久的将来 3D立体病患模型将会扮演医学的研究的重要角色, 而且恐怕会成为临床诊疗非常重要的手段。