3D虛擬解剖技術(shù)

沈臻懿

尸體解剖，是每一名醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生了解與掌握人體結(jié)構(gòu)的必經(jīng)過(guò)程。每名醫(yī)學(xué)生在學(xué)習(xí)解剖學(xué)的過(guò)程中，均需邁過(guò)心理這道坎。不過(guò)，當(dāng)前一項(xiàng)名為3D虛擬解剖的前沿技術(shù)問(wèn)世，正在悄然改變著這一傳統(tǒng)過(guò)程。借助于該技術(shù)的應(yīng)用，操作者在虛擬解剖臺(tái)上可以通過(guò)觸摸屏的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的觀察和檢驗(yàn)。不同于真實(shí)尸體解剖中，人體組織只能被切除的特點(diǎn)，3D虛擬解剖技術(shù)可以令人體器官、組織、神經(jīng)等反復(fù)“切除”后再重新“生長(zhǎng)”，從而令操作者更深入認(rèn)識(shí)人體各組織間的聯(lián)系。除醫(yī)學(xué)專業(yè)教學(xué)、科研外，3D虛擬解剖技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域尚在不斷拓寬。無(wú)論是個(gè)體死亡原因的查明、陣亡士兵尸體的檢驗(yàn)，抑或尸塊的復(fù)原與檢驗(yàn)，均可發(fā)現(xiàn)3D虛擬解剖技術(shù)在其中所起到的關(guān)鍵作用。

傳統(tǒng)尸體解剖技術(shù)的變革

數(shù)個(gè)世紀(jì)以來(lái)，任何一名醫(yī)學(xué)生均需通過(guò)尸體解剖這一專業(yè)課程來(lái)掌握與熟知人體各個(gè)部位的構(gòu)造。不過(guò)，解剖者面對(duì)的畢竟是一具真實(shí)存在的人類尸體，其在操作與實(shí)踐的過(guò)程中顯然首先需要邁過(guò)心理障礙這道坎。有幸的是，前述情形在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的背景下，已經(jīng)悄然轉(zhuǎn)變。這一切的變革，源自于3D虛擬成像技術(shù)的不斷成熟，為醫(yī)學(xué)解剖領(lǐng)域帶來(lái)了極大的便利。

當(dāng)前，澳大利亞、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)已相繼設(shè)計(jì)、研發(fā)了一項(xiàng)名為3D虛擬解剖的前沿技術(shù)用于醫(yī)學(xué)解剖的教學(xué)與科研?？茖W(xué)家們花費(fèi)了二十余年的時(shí)間完成了前期基礎(chǔ)研究，并建立了極為詳盡的虛擬人體解剖切面。

英國(guó)愛丁堡大學(xué)解剖學(xué)學(xué)院利用3D虛擬技術(shù)，已研制出了一臺(tái)頗為新奇的高科技醫(yī)學(xué)教學(xué)科研設(shè)備——3D虛擬解剖臺(tái)。目前，這一新型儀器設(shè)備已被運(yùn)用于英國(guó)愛丁堡大學(xué)解剖學(xué)學(xué)院的日常教學(xué)與科研之中。CT掃描設(shè)備的全景掃描，可以將尸體結(jié)構(gòu)以圖像形式輸出，從而在虛擬解剖臺(tái)上呈現(xiàn)出與真人比例完全一致的男性或女性生理結(jié)構(gòu)的詳細(xì)解剖圖像。通過(guò)3D虛擬成像技術(shù)，人體各處生理結(jié)構(gòu)可以互相疊加并組成彩色3D影像。人體整個(gè)身體以及皮膚之下的每一處細(xì)節(jié)均可呈現(xiàn)在虛擬解剖臺(tái)上，供學(xué)習(xí)者在某處虛擬位置上加注標(biāo)簽，并用于解決實(shí)際臨床問(wèn)題。借助于虛擬解剖臺(tái)這一設(shè)備，醫(yī)學(xué)生們只需通過(guò)觸摸屏就可對(duì)尸體予以虛擬“解剖”。

3D虛擬解剖技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于傳統(tǒng)解剖工作而言，尸體解剖的前期準(zhǔn)備極為繁瑣。不僅需要制定極為周密、翔實(shí)的解剖計(jì)劃，還需要對(duì)尸體中的脂肪等結(jié)構(gòu)予以清除。另就分層解剖而言，傳統(tǒng)尸體解剖的效果較之于3D虛擬解剖遜色不少。3D虛擬解剖技術(shù)擁有區(qū)域解剖功能，可以實(shí)現(xiàn)分層解剖的效果。醫(yī)學(xué)生在操作時(shí)，不僅可以深入了解與掌握某一層生理結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征，亦可便于學(xué)生反映觀察分層解剖的特點(diǎn)。前述優(yōu)勢(shì)使得3D虛擬解剖技術(shù)同時(shí)具備了“導(dǎo)航”功能。醫(yī)學(xué)生在實(shí)踐操作時(shí)，可以在自主尋找的基礎(chǔ)上對(duì)人體的某處位置予以深入解剖，并可以在重點(diǎn)關(guān)注的部位標(biāo)記不同顏色與標(biāo)簽。

不同于傳統(tǒng)解剖工作需要應(yīng)用的解剖刀、手術(shù)剪、開顱鋸等器械，醫(yī)學(xué)生在對(duì)虛擬尸體進(jìn)行“解剖”時(shí)，使用的是觸摸屏這一設(shè)備。據(jù)英國(guó)愛丁堡大學(xué)解剖學(xué)教授高登·凡德賴特介紹：“虛擬解剖臺(tái)的最大特點(diǎn)就在于，操作者可以借助于特別的3D視角來(lái)對(duì)人體的不同側(cè)面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、觀察和檢驗(yàn)。誠(chéng)然，3D虛擬解剖技術(shù)無(wú)法等同于真實(shí)的尸體解剖。但醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生可以應(yīng)用3D虛擬解剖技術(shù)來(lái)開展解剖學(xué)的教學(xué)和實(shí)務(wù)操作。從當(dāng)前已經(jīng)收到的醫(yī)學(xué)生和外科醫(yī)生的反饋來(lái)看，這一技術(shù)普遍得到了較好反響。”與真實(shí)的尸體解剖相比，3D虛擬解剖技術(shù)還有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。真實(shí)的尸體解剖過(guò)程中，尸體的肢體、器官等組織只能被一次性切除，而無(wú)法再重新生長(zhǎng)、復(fù)原。3D虛擬解剖技術(shù)則使這一過(guò)程具有了可逆性。虛擬解剖臺(tái)上顯示出的人體器官、神經(jīng)、組織、動(dòng)脈以及紋理等，均可被反復(fù)“切除”后再重新復(fù)原。醫(yī)學(xué)生在操作時(shí)，通過(guò)前述生理結(jié)構(gòu)的移除或者添加，可以深入理解并掌握人體各部分以及各個(gè)組織之間的關(guān)聯(lián)。

虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)中心的出現(xiàn)

3D虛擬解剖技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)，開拓了當(dāng)前醫(yī)學(xué)專業(yè)教學(xué)的思路。在這一前沿技術(shù)的基礎(chǔ)上，美國(guó)加利福尼亞州健康科學(xué)西部大學(xué)開創(chuàng)先河，設(shè)立了全新的虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)中心。該中心運(yùn)用3D虛擬解剖技術(shù)，開設(shè)了骨科、牙科、護(hù)理、物理治療和獸醫(yī)五項(xiàng)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)科目。加利福尼亞州健康科學(xué)西部大學(xué)的羅伯特·W·哈澤爾博士表示，利用3D虛擬解剖技術(shù)建立起的虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)中心，是此前從未有過(guò)的新型教學(xué)模式。利用該虛擬技術(shù)，可以令解剖學(xué)教師與學(xué)生之間的教授與學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。醫(yī)學(xué)生在解剖人體時(shí)，能夠借助于3D虛擬解剖技術(shù)提供的人體全息圖，實(shí)現(xiàn)人體360度旋轉(zhuǎn)，并可同時(shí)通過(guò)多界面對(duì)人的身體各系統(tǒng)予以觀察、識(shí)別。

據(jù)羅伯特·W·哈澤爾博士介紹，學(xué)生通過(guò)在線自主學(xué)習(xí)的方式，即可登錄虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)中心，并完成相應(yīng)核心課程的學(xué)習(xí)。對(duì)于每一門核心課程，系統(tǒng)均會(huì)設(shè)置有相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，且在學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷進(jìn)行自我評(píng)估與學(xué)生之間的相互幫助。羅伯特·W·哈澤爾博士指出：“視頻游戲中的3D虛擬現(xiàn)實(shí)模擬，是該虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)中心創(chuàng)立的靈感與源頭。通過(guò)與高科技軟件公司的合作，能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生提供人體解剖學(xué)學(xué)習(xí)的新型方案，也可以讓解剖學(xué)教師以在線互動(dòng)的方式指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)?！辈贿^(guò)，虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)中心對(duì)于3D虛擬解剖技術(shù)的應(yīng)用，并未完全摒棄真實(shí)尸體的解剖實(shí)踐。其主要起到了以科技取代傳統(tǒng)教科書的作用，允許學(xué)習(xí)者在實(shí)際進(jìn)行尸體解剖前，先在虛擬環(huán)境下進(jìn)行演練。換言之，3D虛擬解剖技術(shù)的發(fā)展與成熟，標(biāo)志著從傳統(tǒng)科教幻燈片教學(xué)到使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)親身實(shí)踐的重大變革。

3D虛擬解剖技術(shù)應(yīng)用的不斷拓展

個(gè)體死亡原因的查明

除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)專業(yè)教學(xué)與科研外，3D虛擬解剖技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。在這一背景下，3D虛擬解剖技術(shù)以其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，開始應(yīng)用于個(gè)體死亡原因查明的工作中。據(jù)報(bào)道稱，曾有一名低齡兒童在接受聲帶喉鏡檢查時(shí)突然死亡。面對(duì)這一突發(fā)事件，法醫(yī)專家在對(duì)其尸體進(jìn)行解剖檢驗(yàn)后，仍難以確定該兒童的死因。在此情形下，法醫(yī)專家嘗試使用了3D虛擬技術(shù)來(lái)輔助查明其確切死因。經(jīng)3D掃描圖像顯示，法醫(yī)專家在該名兒童的喉部發(fā)現(xiàn)了一處微小的穿孔。這一重要發(fā)現(xiàn)揭示，該名兒童在接受聲帶喉鏡檢查時(shí)，喉鏡上的一根細(xì)針發(fā)生了位置偏離，并刺破了喉部。這使得空氣進(jìn)入了兒童的胸腔，并導(dǎo)致左肺衰竭。當(dāng)臨床醫(yī)生試圖對(duì)兒童的肺部進(jìn)行降壓時(shí)，這根偏離的細(xì)針轉(zhuǎn)而刺穿了兒童的心臟，從而致使其心臟停止跳動(dòng)。3D虛擬解剖技術(shù)對(duì)于尸體各部位的深入掃描與復(fù)原，使得其成為法醫(yī)檢驗(yàn)領(lǐng)域中確定人員死因的一項(xiàng)新型“武器”。

對(duì)陣亡士兵尸體進(jìn)行檢驗(yàn)

美國(guó)國(guó)防部五角大樓當(dāng)前也已應(yīng)用3D虛擬解剖技術(shù)來(lái)對(duì)阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)上陣亡的美軍士兵尸體進(jìn)行檢驗(yàn)，以確認(rèn)制式頭盔和防彈衣對(duì)于子彈和彈片的防護(hù)能力和效果。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)五角大樓已對(duì)1700多具陣亡士兵的尸體進(jìn)行了虛擬解剖。美軍法醫(yī)克雷格·麥拉赫對(duì)3D虛擬解剖技術(shù)的高效率與檢驗(yàn)結(jié)果稱贊有加?？死赘瘛溊毡硎?，原先我們經(jīng)常需要花費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)來(lái)尋找一塊嵌入士兵尸體內(nèi)的彈片或彈頭。但現(xiàn)在，虛擬解剖技術(shù)形成的3D圖像能夠快速告訴我們彈片或彈頭在尸體內(nèi)的準(zhǔn)確位置。除美國(guó)外，瑞典、瑞士等國(guó)家的法醫(yī)專家也已開始采用3D虛擬解剖技術(shù)對(duì)前述類似案件來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。

尸塊的復(fù)原與檢驗(yàn)

在一些特定的刑事案件或大型災(zāi)難事件中，現(xiàn)場(chǎng)遺留的遇難者尸體往往并不完整。譬如，爆炸案件現(xiàn)場(chǎng)或者碎尸案件現(xiàn)場(chǎng)中，刑偵專家在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的尸體基本上都屬于尸塊的范疇。如果采用傳統(tǒng)尸體檢驗(yàn)手段，刑偵專家只能在確認(rèn)尸塊來(lái)源于同一個(gè)體的基礎(chǔ)上，分別對(duì)相關(guān)尸塊進(jìn)行檢驗(yàn)。不過(guò)，3D虛擬解剖技術(shù)的引入與應(yīng)用，則可突破傳統(tǒng)尸體檢驗(yàn)的局限性，通過(guò)3D掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)尸體完整性的檢驗(yàn)。無(wú)論是完整的還是破碎的尸體，都可以通過(guò)現(xiàn)代CT掃描儀對(duì)尸體圖像予以處理，從而在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)尸塊的復(fù)原。此外，由于不需要進(jìn)行耗時(shí)耗力的實(shí)際解剖，一臺(tái)高性能的電子計(jì)算機(jī)只需十多分鐘即可以將CT掃描儀獲取的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為皮膚、肌肉、神經(jīng)、骨骼等人體組織的清晰、準(zhǔn)確圖像。這些圖像不僅被可視化，其靈活翻轉(zhuǎn)的程度也是實(shí)際尸體解剖所無(wú)法比擬的。尤其是在槍擊案件中，法醫(yī)專家如通過(guò)實(shí)際尸體解剖方式，難以直接發(fā)現(xiàn)彈頭射入人體體內(nèi)的彈道痕跡。但如果借助于3D虛擬解剖技術(shù)，人體體內(nèi)的彈道痕跡在3D圖像中即可直觀顯示。

醫(yī)學(xué)解剖的有力替代者

3D虛擬解剖技術(shù)的迅猛發(fā)展，使其有可能在未來(lái)，取代或部分取代現(xiàn)行的醫(yī)學(xué)解剖工作。自20世紀(jì)下半葉起，醫(yī)院已取消最低解剖率的標(biāo)準(zhǔn)。其醫(yī)學(xué)解剖率從20世紀(jì)60年代的40%～50%，下降到當(dāng)前4%左右。醫(yī)學(xué)專業(yè)人士普遍認(rèn)為，與高科技的圖像、檢測(cè)技術(shù)相比，醫(yī)學(xué)解剖并不能充分了解有關(guān)病患診斷與治療的關(guān)鍵信息。此外，醫(yī)學(xué)解剖所需花費(fèi)的代價(jià)，也讓越來(lái)越多的醫(yī)院不愿意進(jìn)行較多的尸體解剖。在此背景下，3D虛擬解剖技術(shù)顯然成為了未來(lái)醫(yī)學(xué)解剖的有力替代者。通過(guò)這一前沿技術(shù)，也可以準(zhǔn)確判明醫(yī)生在對(duì)病患的診療過(guò)程中是否存在誤診，或是否弄錯(cuò)病人的死因。

高清“虛擬人”的重建

無(wú)論是醫(yī)學(xué)專業(yè)的教學(xué)、科研，還是案件事實(shí)或死亡原因的查明，3D虛擬解剖技術(shù)所依賴的，均是通過(guò)現(xiàn)代CT掃描儀所獲得的圖像信息。為了能夠模擬更為真實(shí)的尸體，科學(xué)家也在不斷對(duì)該項(xiàng)技術(shù)予以改進(jìn)和完善。有科學(xué)家提出設(shè)想，可以建立一個(gè)“虛擬人”，讓操作者得以通過(guò)3D虛擬解剖技術(shù)，觸碰到“虛擬人”身體的各個(gè)生理部位。根據(jù)這一設(shè)想，當(dāng)前已問(wèn)世的多點(diǎn)觸控技術(shù)可以用來(lái)模擬真實(shí)的尸體，從而幫助操作者直接感觸到解剖工作的存在。在這一技術(shù)的支持下，操作者能夠直接感觸到人體肌肉的組織、肌膚的紋理，甚至是腹部脂肪等。3D虛擬解剖技術(shù)不僅可以呈現(xiàn)出分層切片的虛擬影像，更可幫助操作者利用該技術(shù)模擬解剖刀切割皮膚、組織與人體組織的力度，并將這一過(guò)程完全呈現(xiàn)在電腦屏幕之上。不過(guò)，這一技術(shù)的開展，離不開一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作，即高清“虛擬人”的重建。所謂的“虛擬人”，即是通過(guò)電子計(jì)算機(jī)合成的3D人體詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

為了取得人體詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，建立高清“虛擬人”，美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書館發(fā)起了一項(xiàng)名為“可視人計(jì)劃”（Visible Human Project）的項(xiàng)目。參與此項(xiàng)目的科學(xué)家挑選出了一名男性和一名女性的遺體作為樣本，分別對(duì)其進(jìn)行了全身CT掃描以及磁共振掃描。隨后，科學(xué)家對(duì)遺體采取冰凍處理后，使用精密切削的方式，將兩具遺體進(jìn)行了逐層橫切，并制作成切片標(biāo)本。其中，男性遺體的切片標(biāo)本厚度為1毫米，而女性遺體的切片標(biāo)本厚度僅僅為0.33毫米，極為纖薄精細(xì)。對(duì)于每一片薄片，科學(xué)家均需使用彩色數(shù)碼相機(jī)對(duì)其切面進(jìn)行拍攝，并將這一斷層數(shù)據(jù)予以圖像處理后，在電子計(jì)算機(jī)中建立起高清的3D立體“虛擬人”。經(jīng)過(guò)這一精密方式所構(gòu)建起的“虛擬人”，其解剖結(jié)構(gòu)與真人完全一致。借助于高清“虛擬人”的構(gòu)建，3D虛擬解剖技術(shù)的可視化、直觀性將進(jìn)一步得到提升。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com