一种包含中国人群差异的三维可交互式解剖教学方法与流程

本发明涉及一种包含中国人群差异的三维可交互式解剖教学方法，将人与人之间的解剖学差异通过可变形的三维解剖模型来展示，并将这种包含人体解剖形态差异的模型通过计算机本地软件或在线网页应用于解剖学教学及临床应用。

背景技术：

人体器官的解剖学知识在人体解剖学课程和疾病临床诊断与治疗中的地位举足轻重。人体器官疾病的医学诊断与治疗需要对复杂的人体解剖结构和结构之间的空间关系进行清晰准确的评估。作为基础医学的支柱和直观性极强的学科，人体解剖学是一门重要且非常必要的理论与实践相结合的学科，需要大量解剖资源来支撑教学和医学学生的实践。传统的解剖学模型仅仅依靠稀少且难以保存的捐赠人体标本、难以直观理解的二维平面挂图或者粗糙的人体模型，均由于缺乏精确空间定位等因素很难起到良好的教学效果。故此，解剖学的教育迫切地需求结构真实精准的三维解剖学模型。

数字解剖是一种可以对解剖结构进行计算机化，进而以不同方式进行观察、测量和操作解剖结构的技术。随着各种医疗影像设备和三维(3d)可视化技术的不断发展，数字化的3d解剖结构也逐渐完善。三维数字人体解剖学模型将复杂的解剖结构通过层层显示或者按需求部分显示，使得医学生能够从多方位、层面、空间进行反复观察，并且能根据需求从全局与局部微展示器官的结构、动态的展示循环或传导等等。目前已有一些具有教学或临床意义的局部虚拟三维模型构建，例如女性骨盆模型、眼球解剖模型、高精度骨骼模型以及脑部解剖学向导的混合形变模型等等，以及全身范围的模型如humananatomyatlas、anatomy&physiology与completeanatomy等。

近年来，基于网络浏览器的web端的三维可视化人体解剖模型开始逐步用于解剖教学。web端的三维可视化技术继承来网络的重要优势，模型的使用不依赖于操作系统或者与平台相关的插件，可以直接实现跨平台、甚至移动设备的访问，不需要移植成本。建立完成的web端模型能够给所有需要的医学教学和学生提供模型服务，模型建立可以达到很好的网络实时应用和多端的共享，大大降低了全国所有医学院校的解剖学课程教学成本。

虽然三维数字解剖模型以及其web端应用对于取得了良好的教学效果，但现有的数字模型多是针对一个标准的人体，没能涵盖不同人类个体之间的解剖形态差异。由于人群之中存在着比较可观的个体差异，仅仅通过标准的人体模型进行教学，不利于学生了解不同人之间的器官形态差异。如果能够通过三维模型的变形来展示不同个体之间的解剖结构形态变化，则对于解剖教学以及学生未来的医疗实践起到更好的帮助。

技术实现要素：

基于上述考虑，本发明提出了一种基于中国健康人群解剖形变模型的教学软件系统。本发明使用的可变形解剖模型是以大量中国人医学影像作为训练样本，由统计形状模型建模的方法从大量样本中提取出不同人之间的真实解剖变形方式，并通过计算机本地软件或web浏览器实现用户交互调整模型的变形，从而观察到不同人之间器官解剖形态的变化，更加接近真实临床诊疗中面对的不同个体的解剖形态，为解剖教学提供新颖的个体差异知识，方便学生用个人电脑或移动端设备来上网学习。

本发明提供了一种通过统计形状模型技术获取人体医疗影像中人与人之间的解剖学差异，并将这种差异展现为可交互调节的三维模型变形过程，将其应用于解剖教学，使学生学习到不同人之间的个体解剖学差异，包括如下步骤：

本发明的技术方案：

一种包含中国人群差异的三维可交互式解剖教学方法，步骤如下：

第一步，人体解剖学可变形模型的构建

人体解剖学可变形模型构建使用的人体解剖学可形变模型的影像数据来自于被诊断为无临床症状的个体，影像数据经筛选确保在年龄、身高、体重的均匀分布；依据收集的影像数据构建人体解剖学可变形模型，包括活体解剖学信息和中国人群样本信息；所述的中国人群样本信息包括人体所有器官或组织的人与人之间差异变化、所有器官或组织的健康与病态差异变化；

人体解剖学可变形模型的构建采用统计形状训练算法，从大量医学影像中训练得到人群中的三维解剖学差异的变形分量；通过人体解剖学可变形模型反映出的中国人群解剖结构变化，并将其用于解剖教学系统；

人体解剖学可变形模型的构建方法：

从大量医学影像中训练得到人群中的三维解剖学差异的变形分量分为图像分割、模版配准、统计模型三个步骤；

图像分割：将筛选得到的影像数据中的器官分割得到所有器官和组织的三维区域划分，分割结果以三维曲面呈现；

模版配准：然后采用点云配准算法，将标准的人体三维模型与图像分割得到的三位区域进行配准，依次得到个体之间器官表面点云的解剖位置对应关系；

统计模型：基于所有个体配准结果，通过统计形状模型算法得形变模型及形变分量；人体解剖学形变模型表示为

其中：表示解剖学平均模型，由模型曲面的顶点坐标构成；[φ1,φ2,...,φc]为形变分量，是通过统计形状模型算法由训练数据集中学习得到；b＝[b1,b2,...,bc]为形状系数，由用户在web界面上调节其取值大小；x为人体解剖学形变模型的个性化形状，在形变分量已知的情况下，x的形状通过调节形状系数来控制其产生变化；为了控制模型的变形保持在合理的幅度之内，每个形变分量bm取值为λm为主成份分析特征值；

第二步，基于计算机本地软件或web端浏览器实现人体解剖学可变形模型的交互式观察

交互界面上的人体解剖学可变形模型功能展示方式描述如下：

第一，设置网页标签与元素构成网页基础结构；

第二，设置渲染场景模块：场景包括可调整的光源、人体解剖学形变模型、用于用户交互操作模型的交互式控制栏以及模型以外的背景物体；实现人体解剖学可变形模型的形变调控在于，将交互式控制栏的控制变量与模型形变分量的形状系数关联：

首先，加载人体解剖学形变模型的初始状态平均模型和形变分量模型，分别对应公式(1)中的和φ1,φ2,...,φn，其中n为变形分量的个数，由于前五大形变差基本上包含了人与人之间解剖学差异，因此本方法中选取的形变分量和形状系数为各个器官的前五大形变；其次，设置交互式控制栏，在交互式控制栏中添加每个器官形变分量对应的形状系数b1,b2,...,bn作为控制栏变量，形状系数个数与形变分量个数一致，在本方法中选取五个；最后，在不断被调用的网页render()函数中设置显示模型x,依据公式(1)将界面显示的人体解剖学形变模型与控制栏的形状系数变量关联在一起，达到在网页端调节控制栏变量，页面显示的人体解剖学形变模型发生对应解剖学形变的效果；

第三，设置网页显示内容：通过调节网页显示不同的场景位置、视野和角度，达到从不同角度、远近观察人体解剖学形变模型的效果；

web端人体解剖学形变模型系统的交互式观察包括：可视化选择功能、形变调节模型功能、缩放功能、旋转角度功能与平移功能；

可视化选择功能：每个器官或组织模型具有可视化选项功能，通过勾选交互式状态栏中某器官或组织模型可视化选项，达到调控该模型是否可见的效果；

形变调节模型功能：通过控制栏中每个器官或组织模型的形变分量调控，每个器官或组织模型做出相应的解剖学变化；

缩放功能：电脑端通过鼠标滚轮向前为放大向后为缩小，平板及手机触控端通过两指控制缩放；

旋转角度功能：电脑端鼠标左键直接拖拽模型控制模型角度的旋转，平板及手机触控端通过单指控制缩放；

平移功能：电脑端鼠标右侧拖拽实现模型的平移功能；

人体解剖学形变模型的控制栏设计为“器官”栏，包括人体器官标签和是否可见的“器官可视化”可选项；对于每个器官或组织，均有可视化设置与多个形变分量可调，以此便可调节各器官或组织在显示界面的可视化设置与解剖学形变方向和大小；控制栏中可视化设置有两个状态，控制的器官或组织可见或不可见，为方便用户观察解剖模型，所有可视化设置初始状态均默认为可见；多个形变分量按照依次减小的主成份分析权重排列，并且各分量初始状态0为平均模型状态。

本发明的有益效果：本发明的web端版本不依赖于平台或操作系统，仅通过浏览器完成模型的显示，实现跨平台、跨操作系统的使用和灵活的交互式操作。

附图说明

图1是人体解剖学形变模型展示；(a)男性模型；(b)女性模型；(c)交互式控制栏。

图2是人体解剖学形变肝脏模型的形变调节展示；图中箭头指向局部显著变形，(a)-(c)分别为调节第一至三形变分量的调节结果，其中第二列为肝脏平均模型初始状态，第一列为减小形变分量模型结果，第三列为增加形变分量模型结果；

图3是人体解剖学形变模型形变调节展示；(a)皮肤；(b)骨骼；(c)肌肉；(d)心脏；(e)肺部；(f)脾脏；(g)肾脏。

具体实施方式

本研究构建的软件教学系统所展示的人体解剖学形变模型分为男性与女性，分为两个独立页面显示。图1(a)与(b)所示分别为web端男性与女性人体解剖学形变模型，图1(c)为web端交互式控制栏。为展示说明完整模型，图中右下角为男性或女性解剖学模型被遮挡住的主要器官。解剖学形变模型的主要器官和组织均覆盖了仿真色彩纹理，在视觉上具有真实的人体解剖效果。形变模型在可视化界面中独立存在，各个部分器官或组织的解剖学形变根据各自的控制栏独立控制，并依据控制栏发生实时变化。

本模型的软件系统提供计算机本地软件和网络浏览器界面两个版本。其中网络浏览器界面具有跨平台性，在个人计算机、移动端设备、虚拟现实设备等支持网络浏览器的设备都能够实现对形变模型的交互式操作与解剖学结构学习。

为展示web端人体解剖学形变模型调节不同形变分量的交互式模型形变效果，我们以女性解剖学模型的肝脏模型为例，选择肝脏模型形变分量最大的前三分量，调节示意图如图2所示。图中(a-c)分别为依次调节第一至第三形变分量的结果，每行三张图依次为减小形变分量时肝脏模型的形变效果、肝脏平均模型和增加形变分量时肝脏模型的形变效果。图中由红色箭头标记了肝脏模型形变中的显著形变部位。观察图2(a)调节形变分量1，肝脏模型的形变表现为模型整体的放大与缩小，体现了人与人之间肝脏最大的差异为大小的变化，这种变化并不是简单的线性缩放，而是伴随着左、右叶的非线性变形。观察图3(b-c)调节形变分量2与3，可以发现肝左叶与肝右叶的横向长度比例发生了明显的变化。具体分析，则是调节形变分量2时，肝右叶的横向长度比例大幅改变，肝左叶浮动较小；调节形变分量3时，肝左叶的横向长度比例大幅改变，并且伴随肝左叶的增长，肝左叶尖端越发尖锐，而在整体第三形变分量调节过程中肝右叶几乎无明显形状上的改变。由此，我们可以得到中国人群中人与人在解剖学上肝脏差异的变化，差异最大的为肝脏大小，其次是肝左叶与肝右叶的横向长度比例。通过肝脏模型的各个形变分量调节，可以学习到真实的人群肝脏解剖学变化，为肝脏学习提供帮助。

此外，除肝脏外的皮肤、骨骼、肌肉、心脏、左右肺部、脾脏和左右肾脏均有各自的前五大解剖学形变分量可供调节，由于篇幅限制，我们仅展示女性的皮肤、骨骼和心脏、左右肺部、脾脏、左右肾脏与男性肌肉的一个代表性形变分量调节作为示意。如图3所示，(a-g)依次为女性皮肤、男性肌肉、女性骨骼、女性心脏、女性左右肺部、女性脾脏和女性左右肾脏，红色箭头标记了器官或组织形变幅度较大的部位。图3(a)为女性皮肤模型形变结果，可以看到当调节第一形变分量时，模型在体形上发生了显著的体形胖瘦变化和脂肪堆积差异；图3(b)的骨骼，当调节第二形变分量时骨骼中脊柱的弯曲幅度发生大幅形变，表面人与人之间脊柱弯曲程度的不同；由于女性之间肌肉差异相比男性不够显著，故图3(c)选择展示男性的肌肉形变变化差异，调节形变分量，可以明显观察大肌肉模型中肌肉的大小发生显著改变；图3(d)反映了不同人之间心脏外形特征的差异；图3(e)为女性肺部形变模型，随着第一形变分量的调节，左肺下端前缘发生拓扑结构形变，且右肺三叶纵向长度与形状也发生了显著改变，同时，左右肺尖的相对纵向高低程度有具有显著变化，这些肺部变化一部分来自于人与人之间pet-ct影像采集时屏气幅度差异，另一部分则来自于人与人之间肺部解剖学形态差异；作为人体最为重要的淋巴器官，机体的免疫程度直接影响到脾脏的体积大小，如图3(f)为脾脏模型形变显示，第一形变分量调节产生的差异部分来自于不同人之间脾脏大小的差异，另一部分来自于脾脏解剖学形态上的差异，如前后端的突出程度差异等；左右肾脏的一个显著解剖学差异是左右肾纵向相对位置高低的改变，如图3(g)所示，随着形变分量调节，两肾脏之间的相对位置发生改变，并且伴随了一定程度的左右肾在形状上大小的差别。

本发明不局限于举例时展示的人体解剖学器官和组织，本发明可扩展到任何人体解剖学部位。