2024年1月9日发(作者：)

智能医学与数字诊疗Intelligent Medicine and Digital Diagnosis and Treatment基于WebGL技术实现腰神经根变异特征的立体可视化谭海涛①② 江建中① 黄国秀③ 谢兆林① 黄圣斌① 张其标①② 秦豪① 罗翔＊【摘要】 目的：观察WebGL技术在腰神经根变异特征立体可视化中的应用价值。方法：选择2018年6月至2020年3月我院3例腰神经根异常的患者为研究对象，获取MRI影像数据，三维重建制作腰神经根变异模型，通过WebGL技术的网页平台进行交互、触控展示，三维立体模式下观察、测绘腰神经根变异特征。结果：成功重建得到3例腰神经根变异模型，其中，神经根尾侧起源1例（L4/5），神经根联合2例（L4/5、L3/4），并实现其特征的立体可视化和解剖参数的三维测量。结论：WebGL技术用于腰神经根变异特征直观、逼真、立体可视化，效果优于传统的观测方法，具有良好的应用价值和推广前景。【关键词】 WebGL 腰神经根 变异 立体化 可视化Doi:10.3969/.1673-7571.2021.01.018【中图分类号】 R319 【文献标识码】 ARealized Stereoscopic Visualization of Lumbar Nerve Root Variation Based on WebGL / TAN Hai-tao, JIANG Jian-zhong, HUANG Guo-xiu, et ct: Objective: To observe the application value of WebGL technology in stereoscopic visualization of lumbar

nerve root anomalies. Methods: 3 case of lumbar nerve root anomalies in our hospital from June 2018 to March 2020

were selected as the research objects. The MRI image data were obtained. Three-dimensional reconstruction was used

to make the model of lumbar nerve root anomalies, interaction and touch display were carried out through the web

platform of webgl technology, and the variation characteristics of lumbar nerve root were observed and mapped in

three-dimensional mode. Results: Three cases of lumbar nerve root variation model were reconstructed, and the three-dimensional visualization of its characteristics and measurement of anatomical parameters were realized successfully,

including 1 case of caudal origin and 2 cases of nerve root conjunction. Conclusion: WebGL technology is better than

the traditional observation method in the characteristics of lumbar nerve root variation, which is intuitionistic, lifelike

and stereoscopic. It has a good application value and promotion ds: web graphics library, lumbar nerve root, anomalies, stereoscopic, visualization

Fund project: Natural Science Foundation of Guangxi Province in 2018 (No. 2018GXNSFAA294129); Scientific

Research and Technology Development Plan of Guangxi Province (No. Gui Ke AD17129017)Corresponding author:

Department of Orthopedics, Guigang People's Hospital, Clinical Medical Research Center of

Digital Medicine and 3D Printing of Guangxi Province, Guigang 537100, Guangxi Zhuang Autonomous Region, P.R.C.基金项目：2018年广西自然科学基金项目（编号：2018GXNSFAA294129）；广西科学研究与技术开发计划（编号：桂科AD17129017）＊通信作者：贵港市人民医院骨科，广西数字医学与3D打印临床医学研究中心，537100，广西壮族自治区贵港市中山中路1号院①贵港市人民医院骨科，537100，广西壮族自治区贵港市中山中路1号院②广西数字医学与3D打印临床医学研究中心，537100，广西壮族自治区贵港市中山中路1号院③广西壮族自治区人民医院，530021，广西壮族自治区南宁市青秀区桃源路6号78·China Digital Medicine. 2021,Vol.16,No.1

腰神经根变异（lumbar nerve

root anomalies，LNRA）并不少见，最早由Zagnnoni[1]首次报道，发生率为1.3%～14%[2-3]。临床上，常在尸体标本、影像片及术中被发现和观测其解剖特征。然而，由于尸体标本稀缺、昂贵，无法进行大量的发现和参数测量；影像手段虽能发现一定的变异，但二维图像缺乏立体化，无法全面、直观反映人体复杂的三维立体空间关系，实用性不强。WebGL（Web Graphics

Library）是一种绘图协议，可为HTML5 Canvas提供3D加速渲染，借助显卡在浏览器中更流畅地展示3D场景和人体三维解剖模型。目前，该技术在医学上广泛运用于复杂分子空间结构、医学影像及医学教育的交互展示[4-6]。因此，通过基于网页WebGL与腰神经根变异模型相结合，为立体化直观、全面化展现其特征提供新型载体，使复杂、三维的脊柱、脊髓神经根走行、分布得以真实还原，对脊柱疾病的术前诊断和手术具有参考意义。1 材料与方法1.1 病例选择 选择2018年6月至2020年3月我院的3例腰神经根异常患者为研究对象，已明确无外伤史、手术史、过敏史，男1例，女2例，年龄分别为45、61及70岁。1.2 数据获取 使用我院3.0 T核磁共振扫描仪采集数据，扫描范围：由腰1椎体上终板至骶1椎体下缘平面。参数：脉冲重复时间230 ms，回波时间225 ms，增加SPCE序列，翻Intelligent Medicine and Digital Diagnosis and Treatment智能医学与数字诊疗图1 在Mimics中构建腰椎、椎间盘及神经根模型转时间220 ms，视野大小350 mm，现模型在网页中进行360°可视化矩阵320×320，层厚0.9 mm，将数据和任意方位的移动、缩放，达到术以“Dicom”格式导出。者与设备的实时交互。图2b中可立1.3 腰椎及神经根模型构建 将数体化显示腰椎、脊髓及神经根，通据导入Mimics 10.01软件中，选过显示或隐藏功能，将某一组织隐取“DICOM tags”中Acquisition去，可直观、全面地观察神经根变的“t2_spc_sag_p2_iso_myelo”异后的起点、走行，以及与椎间序列，对椎间盘、腰神经根选择盘或椎骨的毗邻关系；长按鼠标最佳阈值，进行阈值分割、区域左键并进行移动可实现目标模型增长及三维重建，以“STL”格的360°旋转，长按鼠标右键并挪式导出；同理，导入数据后，选动，可实现模型的平移，而滑轮可取“DICOM tags”中Acquisition改变模型的大小，最终实现全方的“t2_spc_sag_p2_iso_avm”序位、立体观察腰神经根与周围组织列，进行腰1-骶1脊椎骨、部分髂的空间位置关系。骨的三维重建，以“STL”格式1.4.2 腰神经根变异参数的立体测导出（图1）。由于扫描信号的丢绘 本研究采用Kadish等[3]提出的分失，导致模型表面粗糙，可通过型，分为I～Ⅳ型。I型：在不同水3-Matic、Geomagic Studio等软件进平的神经根间的硬膜内交通支。Ⅱ行降噪、光滑后处理。型：神经根起源异常，包括颅侧起1.4 WebGL呈现腰神经根变异特征源、尾侧起源、神经根紧密相邻以的立体可视化及神经根联合。Ⅲ型：神经根间的1.4.1 腰神经根变异解剖的三维硬膜外交通支。Ⅳ型：神经根的硬膜立体观察 将数字化模型上传至外分支；在三维立体模型上进行其解WebGL网页（图2a），可使术者剖特征测量（图3）：①RD：神经经计算机鼠标或移动设备触摸，实根出口处直径；②RA：根囊角；《中国数字医学》2021第16卷 第1期 ·79

智能医学与数字诊疗Intelligent Medicine and Digital Diagnosis and Treatment尸体解剖中偶然发现。随着医学影像技术的进步，许多学者采用X线脊髓造影、CT断层扫描，特别是多维度、多序列的MRI成像方式实现脊髓神经根的显影，有助于腰神经根变异的发现[7]；此外，在脊柱手术中也发现腰神经根变异的情a b况。腰神经变异具有多种特征及分类，最早于1983年由Neidre等[8]提出，此后，更多的分型得以补充完善。研究表明，腰神经根变异与脊柱手术关系十分密切，扮演越来越重要的角色[7，9-10]，如腰椎间盘突出患者出现腰神经根变异后，其影像、症状体征不相符的现象就变得显而易见，只有精确诊断，才能选择更合适的术式，避免脊柱手术失败或神经根误伤。因此，术前精准图3 WebGL利用三维立体解剖模型以测量其解剖特征参数③RPD：神经根出硬膜囊的位置到椎弓根下缘的距离；④PSRD：神经根上缘与上位椎弓根下缘距离；⑤PIRD：神经根下缘与下位椎弓根上缘的距离；⑥PH：椎弓根高度；⑦PW：椎弓根宽。WebGL技术实现椎间孔镜安全三角区域的三维可视化（图4），直观、立体、多方位评估椎间孔镜安全三角区域的组成、位置、范围及毗邻结构，为术前术中提供参考。图4 通过WebGL技术实现椎间孔镜安全三角区域的三维可视化征的立体可视化，成功在模型上进行其解剖参数的三维测量（表1）。地评估腰神经变异，直接影响临床诊断和手术方式的考虑，对脊柱手术的方式有重要意义。3.2 数字化三维重建在腰神经根建模的作用 目前，计算机辅助设计和三维重建技术广泛应用于医学领域，其优点在于立体化、虚拟仿真的人体解剖结构模型，可实现任意角度、任意方向上观察，达到更加图2 在WebGL中实现腰神经根变异空间解剖的三维可视化交互显示3 讨论3.1 腰神经变异发现、特征及其意义 腰神经根变异指根起点、形态轮廓、走行、数量等异常，通常在表1 WebGL实现腰神经根变异解剖特征参数的三维测量测量项目RD（mm）RA（°）RPD（mm）PSRD（mm）PIRD（mm）PH（mm）PW（mm）根联合型（L4/5）3.12（2.86）81.21（29.73）15.07（19.77）9.62（4.60）2.94（4.30）15.01（14.63）9.09（9.32）根联合型（L3/4）3.24（2.37）88（32.00）14.33（20.62）9.81（4.70）1.35（3.97）15.88（16.03）1.24（9.67）尾侧起源型（L4/5）3.46（4.05）59.64（30.07）13.89（15.91）7.35（2.05）4.87（6.72）15.62（15.63）9.20（9.33）2 结果本研究基于3例腰神经根异常患者的MRI多序列数据，发现并成功重建得到腰神经根变异模型，均为Ⅱ型，其中神经根尾侧起源1例，神经根联合2例，并实现其特注：括号内数据代表同节段正常侧测量值。80·China Digital Medicine. 2021,Vol.16,No.1

直观、全面地进行体验式发现、学习和模拟。目前，利用三维重建技术对腰神经的可视化、拟实仿真的研究已有较多成功的运用[11-12]，如谭海涛等[13]利用患者MRI与CTA图像，成功构建出一个包括皮肤脂肪、主要肌肉血管、椎间盘、脊髓神经及骨性结构的腰腹部模型，为腰椎微创手术入路、手术模拟及神经根损伤无创性诊断提供立体直观、有效的参考。于鹏辉等［14］将成人腰骶部CT数据导入Mimics进行腰神经根及周围主要结构的三维重建，实现其形态和空间位置关系的可视化研究，为经皮穿刺腰椎间盘术提供解剖学数据。陆声等[15]利用“虚拟中国人”Ⅰ号女性数据集构建的腰丛神经及其周围组织结构三维可视化模型，可显示腰丛神经及其主要分支与主要血管、椎体、肾脏及腰大肌之间的关系，为脊柱手术中快速确认腰丛神经提供便利。因此，数字化三维重建技术在腰神经根建模中已得到许多成功的应用，实现了对建构部位的任意旋转和切割，为全面准确了解该结构的形态和空间位置并以此应用于临床实践提供了直观可靠的形态学依据。3.3 WebGL技术在腰神经根变异立体可视化运用的优越性与缺陷 数字医学、信息及3D打印技术的高速发展，使得人体组织、器官的三维空间结构得以通过虚拟仿真的模型进行等比例还原。WebGL技术是其中的典型代表之一，基于网页的三维渲染，可实现复杂的人体解剖立体化、可视化交互展示，将其Intelligent Medicine and Digital Diagnosis and Treatment智能医学与数字诊疗与临床外科的术前评估相结合，可时的便捷式学习。但总的来说，把与患者1:1的人体三维解剖模型WebGL技术作为一种新兴的交互实时呈现[16-17]。本研究利用WebGL展示手段，仍将在外科手术术前解技术的虚拟仿真和可触控式的优点剖观测方面发挥重要作用，对脊柱来增加术者的可视范围，大大提高外科的发展产生积极的、变革性的腰神经根变异等复杂结构的形态认影响。识和记忆[18-20]，增强对变异后解剖参数变化的理解。另外，WebGL参考文献能形象生动地交互展示变异的腰神[1] Zagnoni o di un tipo non

经根的特征，使术者更容易对脊柱conosciuto di anastomosi nervosa delle

解剖形成立体概念，可以更清晰地radici spinali[J].Atti Soc Med-chir

理解神经与骨骼间相互关系，克服Padova,1949(27):48-52.影像片、图谱等只能显示平面结构[2] White JG,Strait TA,Binkley

的不足，有助于外科医生理解、认JR,et al treatment of 63

识腰神经根变异的空间解剖结构。cases of conjoined nerve roots[J].J

本研究通过测量，对比正常侧与Neurosurg,1982,56(1):114-117.异常侧的解剖参数，提高术者对神[3] Kadish LJ,Simmons ies

经根变异的空间结构进一步掌握，of the lumbosacral nerve roots.有利于术前三维立体地评估手术安An anatomical investigation and

全区域，降低损伤神经的风险。并myelographic study[J].Journal

且，与传统的影像片、图谱及文献of Bone & Joint Surgery British

获取信息模式不同，WebGL增加了Volume,1984,66(3):411.交互操作，术者可在PC端的浏览[4] Shi MX,Gao JT,Michael Q,et al.

器上输入网址或移动设备即刻快速Web3DMol interactive protein structure

进入交互展示平台[21]，鼠标或手指visualization based on WebGL[J].Nucleic

触控可实现腰神经根及周围结构的Acids Research,2017,45(1):W523-W527.旋转、缩放、移动及标记等可视化[5] Louis P,Felix C,Martin C,et al.

属性。WebGL无需安装应用或插Fiberweb diffusion visualization and

件[19]，可随时、随地通过网页获取processing in the browser[J].Frontiers in

腰神经根变异模型信息，也为浏览Neuroinformatics,2017,11(54):1-11.和使用提供极佳的便利；同时，平[6] Smit N,Cees-Willem H,Kraima A,et al.

台具有免费开放的特点，这也是其The online anatomical human:Web-based

备受欢迎的原因之一。但该技术也anatomy education[C]. Santos

有不足，如当模型的数据量大时，and lands:2016 The

打开交互显示则加载时间长，容易Eurographics Association,2016:1-4.卡顿，影响用户使用；另外，在移[7] Makino H,Seki S,Kawaguchi Y,动端使用时，容易受到网络信号的et al.A novel nerve root anomaly with

影响，出现加载失败，也将影响实unpredictable morphology on diffusion

《中国数字医学》2021第16卷 第1期 ·81

智能医学与数字诊疗Intelligent Medicine and Digital Diagnosis and Treatmenttensor imaging in the lumbar spine:A case

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