炫彩动图(玖):历史学篇

今天,这里要讲述的是一位平凡的美国女性的故事。

数字医学:从“传统解剖”到“3D手术”

本期动图的主题是医学与人体生理学。

她的生平并没有什么过人之处,甚至连名字都没有被公开,我们现在所知道的,仅仅是她在20多年前因为心脏病发作而离开了人世,享年59岁。

数字医学,一个来自于传统学科“解剖”的新型研究方向,用计算机数字化的手段来解决诊断和治疗的种种问题。它的发展,生动诠释了医学“3D打印”的前世今生。

警告:图多杀猫,如果你在使用3G上网,请立刻关闭此页面!

不过现在,她的遗体却以一种奇异的方式得以永存,并为世人所知。这具遗体被制成了超过5000份精细的切片标本,并经过数字化,变成了目前最为精细的人体解剖3D模型。不仅如此,存在于计算机软件中的“她”还成为了医学研究中的虚拟受试者。“她”的存在,使更多难以用常规方式进行的实验分析成为了可能。

■本报记者 赵广立 通讯员 李燕燕 胡红升

本期并未收录很重口味的血腥图片,不过如果你对人体器官和解剖图片比较敏感,还是请谨慎观看。

图片 1由这位女性遗体制成的切片标本之一,从中可以看到肝脏、肺、肾脏等器官。图片来自:Visible
Human Project

今年2月下旬,60多岁的患者殷道荣术后回到第三军医大学西南医院医院复查,结果显示身体恢复良好。要知道,这是第三军医大学生物工程学院数字医学研究所与西南医院心胸外科合作,借助3D数字化导航、3D打印技术和3D辅助设计,完成的一例胸腔巨大肿瘤切除加胸壁重建手术。

矫正牙齿

图片 2

原理:这张动图展示了牙齿矫正的过程,原视频整个经历的时间跨度为18个月。牙齿矫正器会对牙齿施加适当的压力,在成骨细胞和破骨细胞的作用下,牙槽骨逐渐被重塑,进而使牙齿排列整齐。

花絮:与我们的祖先相比,现代人类的颌骨宽度减小、长度缩短,可供牙齿萌出的空间也随之变小,这使得我们面临了更多的牙齿排列问题,在智齿上这一点尤为明显。

录制者:Jonathan
Petrover

血管现形

图片 3

原理:这类让静脉血管现形的仪器使用近红外线来分辨静脉血管,再将其转化为可视化图像。静脉血管中含有大量的去氧血红蛋白,这些血红蛋白会更多吸收近红外光,因此就可以与周围的组织形成反差。这种无创的静脉成像装置可以帮助医护人员更加准确地进行静脉采血。

花絮:在抽血检查时,护士经常会将血样收集到不同颜色的真空采血管中,你知道这些颜色代表什么意思吗?请看:体检抽血管为什么有那么多颜色?

录制者:At-Bristol

重建人体

这些标本制作和重建的工作属于“可视人计划”(Visible Human
Project)的一部分,这项计划由美国国家医学图书馆发起。参与这一项目的研究者们选出了一位男性和一位女性的遗体作为样本,他们分别对这两具遗体进行了全身的CT和磁共振扫描,并将遗体逐层横切,制成了切片标本。这些标本十分精细纤薄,男性遗体标本的切片厚度为1毫米,而女性标本的切片厚度仅为0.33毫米。相比这位不知名的女性,男性遗体捐献者的身份显得更加特别:此人名叫约瑟夫·保罗·杰尼根(Joseph Paul Jernigan),在39岁时因谋杀罪被处以注射死刑,他特殊的身份还引来了一场伦理争论。

图片 4从头到脚,约瑟夫·保罗·杰尼根的遗体标本。原视频来自:Visible
Human Project

在上世纪90年代,可视人计划的第一批图像公布于众。在此之后,不少团队也对由1871份切片组成的男性标本进行了重建。这些标本图像已经得到了不少应用,哥伦比亚大学的研究者们还通过它们发现并修正了以往解剖学教科书中的几处细节错误\[1\]

而现在,女性标本也得以重建。得益于纤薄的切片,这次的虚拟模型精度又得到了大幅提升。这项工作由伍斯特理工学院的谢尔盖·马卡罗夫(Sergey
Makarov)和他的同事们共同完成。他们利用软件将数千张图像整合到一起,并请5位不同领域的医学专家进行了校验。“它必须是解剖学精确的。”
马卡罗夫这样说到。2015年8月,他们刚刚在IEEE(电气与电子工程师学会)医学及生物工程领域的会议上报告了这项成果。 

直到现在,实物标本依然是了解人体解剖结构最重要的参考资料,而纤薄的切片标本更是展现了种种人体组织精细的内部构造。在过去几十年中,CT、磁共振等影像学手段不断发展,对尸体标本一点点切片了解人体构造的方式似乎显得过时了,但直到现在,影像手段依然无法完全替代实物标本的地位。对活着的志愿者进行全身扫描要花上几小时时间,稍一移动就会影响成像的清晰度。而且更重要的是,扫描影像是黑白的,虽然在不同组织之间存在一些灰度对比,但它的清晰程度和对比度远不能与实物相比。

图片 5与CT扫描(左)相比,实物标本(右)有更丰富的色彩和细节。图中为约瑟夫·保罗·杰尼根的遗体标本图像。图片来自:Visible
Human Project

研究者们将他们构建的模型称为“幻影”(phantom)。现在,这位女性“幻影”是世界上细节最为丰富的人体重建模型,她包含231个组织部件。不过遗憾的是,这份模型依然有一些瑕疵之处:标本中遗失了包括鼻软骨在内的14个部件,血管的精细结构也难以得到保全。

此前检查发现,患者的左侧胸腔内有一个巨大的肿瘤,初步显示为低度恶性肿瘤,且肿瘤已经严重压迫肺叶,大肆侵犯胸壁,侵蚀左胸肋骨、肋软骨和肋间内外肌,而且肿瘤与肺动静脉关系较为复杂。不仅肿瘤切除有一定难度,巨大肿瘤切除后胸壁将出现严重的骨缺损,影响患者术后的呼吸功能,且患者心肺难以得到较好的胸壁保护。

奔腾的心

图片 6

原理:图中展示的是一种用于心脏移植的保存系统(Organ
Care System
,OCS),这种系统可以让离体心脏保持跳动,维持血液灌流,并可以对心脏情况进行实时监测。与以往的保存手段相比,这一系统更有利于保持移植心脏的活性。(注:根据TechKnow的说法,动图中是用猪心脏进行的演示)

花絮:与心脏保存系统类似,也有应用于肺移植的OCS系统:

图片 7

录制者:TechKnow

电脑里的虚拟实验

这些标本和重建模型本身就已经足够震撼,它们也能发挥重要的教育作用。不过,研究者们并不满足于此。制作“幻影”模型的一个重要目的,是为了在计算机上进行一系列以往难以完成的“人体实验”。

在医学领域,直接来自人体的临床试验数据永远都是最有参考价值的,但在很多情况下,由于风险过大、违背医学伦理,进行实地试验很不现实。以往,我们可能就只能接受数据缺失的现实,或者从动物实验结果出发,进行并不精确的估算。而现在,虚拟模型为研究者提供了新的可能。除了精细的解剖结构,在这个“幻影”模型中还包含了各个器官的密度、热导率等参数,这使得她成为了虚拟实验绝佳的受试者。

图片 8另一片展示了脑部结构的女性标本。图片来自:Visible
Human Project

比如说,研究者们已经用“幻影”模型进行了这样一个模拟试验:他们给“幻影”设置了一个植入的金属人工关节,并在软件中设置不同的磁场强度,以此来评估一个植入了金属关节的患者进行磁共振成像检查时会产生怎样的后果。金属植入物在磁场的作用下可能会移位、发热,这会给患者带来危险,而如果通过虚拟受试者量化地评估这些风险的大小,研究者们或许将来就可以为这些患者找到更安全的成像解决方案。

除此之外,研究者们还在“幻影”身上测试了经颅直流电刺激疗法的安全范围。即使是常人难以承受的极限条件,“幻影”也可以轻松胜任。

现在,这一模型系统已经对各地的研究者们免费开放,通过软件,还可以对它进行修改。通过女性标本建立起的原版模型比较胖,而通过软件参数的修改,还可以得到体型较瘦的数字模型,以满足更多研究需要。“建立这一模型经历了大量的前期工作,而现在,任何人都可以在自己的电脑上跑个实验了。”
马卡罗夫的合作者之一、整形外科医生阿拉·纳扎里安(Ara
Nazarian)这样说。

作为虚拟受试者的“幻影”还有数不尽的可能性等待发掘,对医学研究者而言,这无疑是激动人心的。而在先进医学成果的背后,这位平凡女性为人类医学做出的贡献也值得我们铭记。(编辑:窗敲雨)

题图来自:Visible Human Project

研究所医疗团队将患者的CT数据导入专业医学图像处理系统,对患者肺血管、肋骨、肋软骨、胸骨、肺和胸腔巨大肿瘤进行了数据半自动分割和三维重建,在计算机上进行了巨大肿瘤切除术手术方案的设计,并根据对侧胸骨的性状和肿瘤侵蚀范围,设计出突出胸壁的肿瘤和拟重建胸壁的3D模型,将打印出的3D模型进行了手术预演,并以3D设计打印的胸壁为模子,制作出了三维的弧形适形钛板。

注射精子

图片 9

原理:这里演示的是一种辅助生殖技术——胞浆内单精子注射(Intracytoplasmic
sperm
injection)。当精子和卵子难以自然结合受孕时,可以将它们分别取出,并在显微镜下将精子注射到卵细胞胞浆内。在受精成功后,再将胚胎植入子宫。

花絮:细胞显微注射技术在生物学和医学领域都有很多应用。除了注射精子帮助受孕以外,显微注射技术还能帮助患有线粒体疾病的女性,为她们的子代注入健康的线粒体。

录制者:SEOTA1

参考资料:

  1. New Scientist:Virtual human built from more than 5000 slices of a
    real woman

在“数字医学”的协助下,手术进行得非常顺利,3D打印辅助制作的三维弧形钛板与缺损胸壁断端完全吻合。

春宵一刻

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原理:这段影像是通过磁共振成像(MRI)记录下的人类性行为过程,它是1999年发表在英国医学期刊(BMJ)上一项性生理研究\[1\]的一部分,目的是深入观察男性和女性生殖器官在性行为过程中的变化。在该研究中,研究者对多组受试者共进行了13次实验和观察。在2000年,这项研究的参与者获得了当年的搞笑诺贝尔医学奖。

花絮:医用核磁设备内部的空间其实相当狭窄,要想留下这样一段影像,还得锻炼下柔韧性才行……

录制者:Pek van
Andel