皮损虚拟数字模型的构建与教学应用*

2023-09-05孙九爱魏玲陈珊珊黄清明吴忠航

中国教育技术装备 2023年2期

孙九爱魏玲陈珊珊黄清明吴忠航

1 上海健康医学院医学影像学院上海 2 上海健康医学院附属周浦医院科创平台上海 3 上海健康医学院上海市分子影像学重点实验室上海 201318

0 引言

作为可触及和视觉可感知的人体表面最大器官，皮肤疾病种类高达2 000 余种，而医学专业教材一般只介绍其中的百余种病例，即使临床上顶尖的皮肤科医生也只能记住600 ～800 种皮肤病[1]。为了提高皮肤病的示教和诊断水平，特别是对经验欠缺的年轻医师的教学和培训，有采用蜡型制模、手工或电脑绘图的方式进行各种皮损形态和颜色变化的描述。其中，物理模型的制作耗时较长，且模拟生成的皮肤形貌逼真度较差，一般只能用于简单的皮肤结构表述；手工或电脑绘图能够生成色彩丰富的皮肤形貌，但这类方法只能获得特定光照和视角条件下的皮肤表面影像。然而，皮肤表面是一个包含纹理和颜色的三维结构，其形貌会随着光照和观察者的视角发生变化，因此，传统的绘图方式无法给出皮肤表面形貌的全面描述[2]。

随着5G 通信网络和数字化技术的发展，越来越多的现代建模和可视化技术被应用到医学教育各个领域，部分传统医学影像教学方式突破时空限制，逐渐向网络在线教学模式转型[3]。利用现代技术实现线上或线下的医学影像教学，有效地将传统教学内容向数字化和虚拟化转型成为迫切需求[4]。本文主要探讨一种皮损表面形貌数字化和可视化技术及其在皮肤科示教和皮肤疾病辅助诊断中的应用价值。

1 基于数码摄片的皮肤形貌模型

从微观角度看，皮肤表面存在形状规则的微小纹理结构，这种三维结构在不同的光照方向条件下会形成不同的视觉效果。事实上，任何光照条件﹑光敏感器件和摄像角度的变化都会导致摄片结果的改变，而常规照片提供的仅是场景在固定视角下的成像结果[5]。摄像时采用的照射光源的色调也会影响皮肤形貌的描述，如图1（a）和（b）所示，同一皮损部位采用两种光源从不同方向照射产生的结果存在差异。虽然人眼可以通过视觉系统自动调节光源色调所带来的差异，但摄像机需要通过额外的白平衡技术调节消除这种影响。因此，实际临床时，皮肤科医生通常需要不断地改变和调节入射光的照射方式或摄像机的拍摄视角才能获得皮损部位的最佳观测结果[6]。为了能够将数码照片用于临床皮肤疾病的辅助诊断或培训目的，现有的常规摄片方法需要进一步改进，以便能够真正全面地描述皮损部位三维形貌，增强皮肤形貌可视化效果。

图1 同一个皮损在两种照射条件下产生的照片

2 基于光度立体的皮肤表面数字模型

为了解决单张照片不能完全反映目标表面三维结构的问题，可采用单个光学传感器和多方向的照射光源，通过分时扫描的方式获得被观察物体表面的纹理和颜色信息。图2 左为设计定制的皮肤表面形貌采集装置，图2 右为采用定制的装置采集到的手指关节处皮肤的形貌结构演示，包括采集到的原始图像和经光度立体方法重建获得的三维结构图，从手指关节表面的重建结果可以发现利用此种装置采集和构建皮肤表面模型具有正确性。

图2 皮肤表面形貌采集装置和构建的皮肤表面数字模型

3 结果

在临床合作单位的协助下，使用定制的皮肤表面形貌采集设备收集常见皮损种类的照片，并重建形成VRML 等虚拟3D 目标文件格式，最终组成皮损数字模型数据库。通过数据库，可以显示或存取教学和诊断过程中需要的皮肤病病例，并通过文字描述和三维图像格式输出可视化的结果。图3 是数字皮损数据库中几种典型皮损的演示。

图3 虚拟皮损的演示

无论是摄影提供的皮肤表面高分辨率数字图像，还是重建后形成的表面光学反射比、表面法向量分布和重建后的数字化三维虚拟模型，都可以通过互联网即时传输到世界各地，接收者通过可视化虚拟环境仔细地查看皮损的形貌结构。

4 讨论

当有经验的皮肤科医生在临床环境中用裸眼或皮肤放大镜检查皮损时，需要反复调整照明条件或观察视角，以便全面获得皮损表面的细微形貌信息，这种诊断过程在摄片动作完成后不可重复，限制了医生之间的诊断经验交流和临床示教。而通过光度立体技术获得皮肤表面光学反射比和表面法向量，使用者可以动态交互改变照明和观察条件获取皮损部位的皮肤形貌描述。同时，将重建后表面的数字三维模型制作为可跨平台和多用户交互的网络虚拟文件格式，医生可以通过沉浸式可视化虚拟学习环境进行皮损表面颜色和三维结构的分析。这种交互式使用方法可以更改照明方向，实时操纵视点，模拟实际临床的诊断检查过程，克服学习地点和时间等条件限制，大大提高了医生的学习兴趣和使用体验。

利用光度立体方法重建产生可信的皮肤表面纹理和颜色信息，这种皮肤外观的客观量化表述除了能用于皮肤科医生之间诊断经验交流和示教，也可以用于其他需要量化表述皮肤外观的应用，如药理学、烧伤、褥疮和化妆品功效评测等。

基于光度立体技术的皮肤表面形貌采集方法仅需要光学探测器和发光二极管光源。随着数码产品的发展，这些部件的价格越来越低，所以该方法的使用成本也会相应降低，结合后续的虚拟交互环境，可以改进常规数码照相在临床诊断的使用模式。同时，随着集成制造水平的提高，数码产品变得越来越小，根据光度立体技术制造的采集装置变得更加便携，方便对身体各个不同部位的皮损进行扫描。