电脑——外科医生的另一把“手术刀” 秦笃烈 1999年 第34期 01版 自从100年前伦琴发现X射线以来，医学图像处理技术已经走了很长的路程。采用CT（计算机断层扫描）、MRI（核磁共振成像）、数字超声仪以及其它计算机辅助诊断仪器，用于临床诊断所产生的图像，能够发现细微的疾病症状，能够观察指导活体解剖的进程，这是前所未有的成就。这些计算机辅助诊断仪器就像手术刀一样，已经成为外科医生必不可少的“锐利武器”。 #1 数字化人体 1985年，美国国立医学图书馆开始立项，研究将人体解剖图像数字化，并且采用新的图像技术进行处理。随后，他们专门成立了一个委员会，挑选了已经死亡的男子和女子的躯体各一具来进行这项实验。 完成这项任务的是著名的科罗拉多州立大学医学院。他们首先分别对男子和女子的躯体作了1毫米和0.33毫米间距的横断面CT和MRI扫描，扫描后得到的原始数据非常庞大，男性为103GB，女性为43GB。然后，他们将尸体冷冻到零下70摄氏度，作厚度为1毫米的切片并进行拍照。这些数据最后交由两家公司来处理：Anatomical Visualization公司负责重建生成冠状面和矢状面映像；Research Systems 公司对这些图像进行压缩，男性的数据压缩到650MB。最后又利用该公司开发的交互式数据语言（IDL）编写成为一个浏览器程序，1995年公开发行。感兴趣的人都可以通过Internet从国立医学图书馆免费下载。 这个虚拟人体项目一经公布，立即引起了全世界的反响。这项研究成果为建立横断面解剖学奠定了基础，在该程序中，用户可以选择人体的各个部位进行映像显示。每一个映像都可以分为CT、MRI、解剖图三种，观察取向可分为横断面、矢状面和冠状面，它们的映像栩栩如生。对图像还可以进行缩放、加注解以及纠正等等。 数字化解剖图谱的工作一经开始，就一发不可收。前不久，荷兰一家叫Elsevier Science的公司开发了一系列医学光盘，其中有一个系列叫做交互式解剖CD，这也是目前世界上规模最大的最为完备的解剖图谱。在第一卷已出版的三张光盘中，收录了头颈部的副鼻窦、前颅底部、颞骨和前颅骨、喉部和颈动脉三角区。每一张光盘包含的图像都在1万幅以上。如喉部和颈动脉三角区，包含了9000幅正常解剖图像和1200幅相关的CT、MRI和组织学图像。 #1 栩栩如生的三维图 三维解剖图一直是人们努力追求的目标。L.Mano等人于1990年发表了他们的计算机三维图谱的研究成果，Jcgee等人于1993年又发表了他们有关解剖图像弹性变形三维图谱的研究成果。这两项研究的三维形状还是中空的，未能包括内部的结构。 后来，德国汉堡大学医用数学和医用计算机研究所的Hohne教授领导的研究小组，开展了崭新思路和方法的解剖三维可视化研究，其项目名称为Voxel－Man，意为体素和人。 这个项目的核心，采用了人工智能技术，第一阶段是针对颅骨和脑。空间模型是通过活人体的CT、MRI横截面映像或组织学图片建立的，这种三维图谱，用户可以自由地在其中的图像空间和文字说明材料中漫游，可以通过选择一定的视点、焦距和光线照射方向，生成任意一幅视图。系统还允许用户从图形上增加或删除一些部分，对有关对象添加彩色标记以及显示相应组织的切片。 Voxel－Man导致了各种新型虚拟学科的诞生，像虚拟解剖学、虚拟放射学、虚拟外科学等等。利用Voxel－Man的工具，医生可以模拟外科手术和立体定位或开洞（如^340101a^）。 Voxel－Man具有极高的外科临床和教学价值，这在医学发展史上也是一个新的里程碑。目前，该系统还只能在Unix工作站上运行，内存要求50M以上。 #1 手术中的导航仪 在外科手术中，医生手术的方向会不断改变，这一点在头部手术中尤为突出。由于每个病人头部的结构差异很大，而且要观察的位置又十分狭小，传统的仪器就很难使医生看到手术中的实际方向。 从1986年开始，德国Aachen理工大学测量技术学院与Aad大学医院合作开始开发脑外科导航系统。后来，荷兰飞利浦医学系统公司也介入其中，一起使这项研究成果实现产品化。 该项目首先开发出了“定位测定系统（OPMS）”，将手术前获得的数据和手术中仪器探测显示的位置相比较，供医生在手术中准确定位。该系统已成功地用于神经外科、耳鼻喉科、放射治疗以及神经学。该系统就像大海中的灯塔，指引着医生的手术刀在病人体内准确无误地移动。 #1 虚拟手术 美国最负盛名的私立医院集团Maya Clinic的生物医学图像处理资源中心，自70年代以来就致力于计算机生物医学图像的研究。华盛顿大学医学中心MIR图像处理实验室使用的重要图像处理软件包就是该中心开发的。在已有十余年经验的基础上，他们开发和设计了可以让外科医生观察CT和MRI数据的3D交互式外科辅助系统。目前，这一系统已经在颅外科、神经外科、矫形外科、肺部外科、前列腺外科以及特种外科手术中得到了应用。比如对一位癫痫病患者的神经进行外科手术，医生可以在手术前预先规划手术方案。MRI扫描的3D图像展现的映像信息，可以帮助外科医生确定脑的哪些部位产生了病变从而引发癫痫需要切除，有助于医生制定切除的最佳方案。又如肺癌手术前的方案规划，CT扫描产生的肺癌结节以及周围的血管图像，可以让医生清楚地看见位于血管附近和渗入血管的癌细胞图像，这样医生做手术就会非常准确，同时还可以在计算机上预演手术过程，使手术更安全。 当然，数字化仪器的应用还远远不止这些，它还涉及病人监护、健康数据分析、机器人助理等等。在医生的手中，电脑这把“手术刀”使越来越多的人摆脱了疾病的痛苦，可以想象在将来的外科领域，它一定会发挥更大的作用。 #1 部分相关网站： Voxel－Man计划 http://www.uke.uni-hamburg.de/idv Mayo Clinic 医学图像资源处理中心 http://www.mayo.edu/bir/BIR_home.html 德克萨斯虚拟诊所 http://utsurg.uth.tmc.edu/digestive/ 虚拟整形外科 http://serv1.imm.dtu.dk/~omni／plastic.html 新加坡大学三维交互式虚拟脑外科手术计划 http://www.krdl.org.sg/RND/biomed/publications/publication/papers/CIS97－tumour/BrainTumour-1.html 虚拟医疗中心 http://www.pslgroup.com/dg/4e70a.htm