孫九愛 魏玲 陳珊珊 黃清明 吳忠航

1 上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院 上海 2 上海健康醫(yī)學(xué)院附屬周浦醫(yī)院科創(chuàng)平臺(tái) 上海 3 上海健康醫(yī)學(xué)院上海市分子影像學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201318

0 引言

作為可觸及和視覺可感知的人體表面最大器官，皮膚疾病種類高達(dá)2 000 余種，而醫(yī)學(xué)專業(yè)教材一般只介紹其中的百余種病例，即使臨床上頂尖的皮膚科醫(yī)生也只能記住600 ～800 種皮膚病[1]。為了提高皮膚病的示教和診斷水平，特別是對(duì)經(jīng)驗(yàn)欠缺的年輕醫(yī)師的教學(xué)和培訓(xùn)，有采用蠟型制模、手工或電腦繪圖的方式進(jìn)行各種皮損形態(tài)和顏色變化的描述。其中，物理模型的制作耗時(shí)較長(zhǎng)，且模擬生成的皮膚形貌逼真度較差，一般只能用于簡(jiǎn)單的皮膚結(jié)構(gòu)表述；手工或電腦繪圖能夠生成色彩豐富的皮膚形貌，但這類方法只能獲得特定光照和視角條件下的皮膚表面影像。然而，皮膚表面是一個(gè)包含紋理和顏色的三維結(jié)構(gòu)，其形貌會(huì)隨著光照和觀察者的視角發(fā)生變化，因此，傳統(tǒng)的繪圖方式無法給出皮膚表面形貌的全面描述[2]。

隨著5G 通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的現(xiàn)代建模和可視化技術(shù)被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)教育各個(gè)領(lǐng)域，部分傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像教學(xué)方式突破時(shí)空限制，逐漸向網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)模式轉(zhuǎn)型[3]。利用現(xiàn)代技術(shù)實(shí)現(xiàn)線上或線下的醫(yī)學(xué)影像教學(xué)，有效地將傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容向數(shù)字化和虛擬化轉(zhuǎn)型成為迫切需求[4]。本文主要探討一種皮損表面形貌數(shù)字化和可視化技術(shù)及其在皮膚科示教和皮膚疾病輔助診斷中的應(yīng)用價(jià)值。

1 基于數(shù)碼攝片的皮膚形貌模型

從微觀角度看，皮膚表面存在形狀規(guī)則的微小紋理結(jié)構(gòu)，這種三維結(jié)構(gòu)在不同的光照方向條件下會(huì)形成不同的視覺效果。事實(shí)上，任何光照條件﹑光敏感器件和攝像角度的變化都會(huì)導(dǎo)致攝片結(jié)果的改變，而常規(guī)照片提供的僅是場(chǎng)景在固定視角下的成像結(jié)果[5]。攝像時(shí)采用的照射光源的色調(diào)也會(huì)影響皮膚形貌的描述，如圖1（a）和（b）所示，同一皮損部位采用兩種光源從不同方向照射產(chǎn)生的結(jié)果存在差異。雖然人眼可以通過視覺系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)光源色調(diào)所帶來的差異，但攝像機(jī)需要通過額外的白平衡技術(shù)調(diào)節(jié)消除這種影響。因此，實(shí)際臨床時(shí)，皮膚科醫(yī)生通常需要不斷地改變和調(diào)節(jié)入射光的照射方式或攝像機(jī)的拍攝視角才能獲得皮損部位的最佳觀測(cè)結(jié)果[6]。為了能夠?qū)?shù)碼照片用于臨床皮膚疾病的輔助診斷或培訓(xùn)目的，現(xiàn)有的常規(guī)攝片方法需要進(jìn)一步改進(jìn)，以便能夠真正全面地描述皮損部位三維形貌，增強(qiáng)皮膚形貌可視化效果。

圖1 同一個(gè)皮損在兩種照射條件下產(chǎn)生的照片

2 基于光度立體的皮膚表面數(shù)字模型

為了解決單張照片不能完全反映目標(biāo)表面三維結(jié)構(gòu)的問題，可采用單個(gè)光學(xué)傳感器和多方向的照射光源，通過分時(shí)掃描的方式獲得被觀察物體表面的紋理和顏色信息。圖2 左為設(shè)計(jì)定制的皮膚表面形貌采集裝置，圖2 右為采用定制的裝置采集到的手指關(guān)節(jié)處皮膚的形貌結(jié)構(gòu)演示，包括采集到的原始圖像和經(jīng)光度立體方法重建獲得的三維結(jié)構(gòu)圖，從手指關(guān)節(jié)表面的重建結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)利用此種裝置采集和構(gòu)建皮膚表面模型具有正確性。

圖2 皮膚表面形貌采集裝置和構(gòu)建的皮膚表面數(shù)字模型

3 結(jié)果

在臨床合作單位的協(xié)助下，使用定制的皮膚表面形貌采集設(shè)備收集常見皮損種類的照片，并重建形成VRML 等虛擬3D 目標(biāo)文件格式，最終組成皮損數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫(kù)。通過數(shù)據(jù)庫(kù)，可以顯示或存取教學(xué)和診斷過程中需要的皮膚病病例，并通過文字描述和三維圖像格式輸出可視化的結(jié)果。圖3 是數(shù)字皮損數(shù)據(jù)庫(kù)中幾種典型皮損的演示。

圖3 虛擬皮損的演示

無論是攝影提供的皮膚表面高分辨率數(shù)字圖像，還是重建后形成的表面光學(xué)反射比、表面法向量分布和重建后的數(shù)字化三維虛擬模型，都可以通過互聯(lián)網(wǎng)即時(shí)傳輸?shù)绞澜绺鞯?，接收者通過可視化虛擬環(huán)境仔細(xì)地查看皮損的形貌結(jié)構(gòu)。

4 討論

當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)的皮膚科醫(yī)生在臨床環(huán)境中用裸眼或皮膚放大鏡檢查皮損時(shí)，需要反復(fù)調(diào)整照明條件或觀察視角，以便全面獲得皮損表面的細(xì)微形貌信息，這種診斷過程在攝片動(dòng)作完成后不可重復(fù)，限制了醫(yī)生之間的診斷經(jīng)驗(yàn)交流和臨床示教。而通過光度立體技術(shù)獲得皮膚表面光學(xué)反射比和表面法向量，使用者可以動(dòng)態(tài)交互改變照明和觀察條件獲取皮損部位的皮膚形貌描述。同時(shí)，將重建后表面的數(shù)字三維模型制作為可跨平臺(tái)和多用戶交互的網(wǎng)絡(luò)虛擬文件格式，醫(yī)生可以通過沉浸式可視化虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行皮損表面顏色和三維結(jié)構(gòu)的分析。這種交互式使用方法可以更改照明方向，實(shí)時(shí)操縱視點(diǎn)，模擬實(shí)際臨床的診斷檢查過程，克服學(xué)習(xí)地點(diǎn)和時(shí)間等條件限制，大大提高了醫(yī)生的學(xué)習(xí)興趣和使用體驗(yàn)。

利用光度立體方法重建產(chǎn)生可信的皮膚表面紋理和顏色信息，這種皮膚外觀的客觀量化表述除了能用于皮膚科醫(yī)生之間診斷經(jīng)驗(yàn)交流和示教，也可以用于其他需要量化表述皮膚外觀的應(yīng)用，如藥理學(xué)、燒傷、褥瘡和化妝品功效評(píng)測(cè)等。

基于光度立體技術(shù)的皮膚表面形貌采集方法僅需要光學(xué)探測(cè)器和發(fā)光二極管光源。隨著數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)展，這些部件的價(jià)格越來越低，所以該方法的使用成本也會(huì)相應(yīng)降低，結(jié)合后續(xù)的虛擬交互環(huán)境，可以改進(jìn)常規(guī)數(shù)碼照相在臨床診斷的使用模式。同時(shí)，隨著集成制造水平的提高，數(shù)碼產(chǎn)品變得越來越小，根據(jù)光度立體技術(shù)制造的采集裝置變得更加便攜，方便對(duì)身體各個(gè)不同部位的皮損進(jìn)行掃描。

5 結(jié)束語

采用彩色光度立體成像方法恢復(fù)皮膚表面的光學(xué)反射和表面形狀特征，重建形成皮損的數(shù)字三維模型。利用制作的皮膚圖像采集裝置，收集整理典型皮損的數(shù)字圖像和三維數(shù)字模型，初步構(gòu)建虛擬皮損數(shù)據(jù)庫(kù)，用于皮膚疾病的三維可視化示教和遠(yuǎn)程皮膚病的輔助診斷。