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医学三维可视化仿真系统研究进展
2014年4月10日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:方驰华、李晓锋

    自美国开展可视化人计划研究以来,国内外医学三维可视化仿真系统研究成为热点。随着计算机科学和信息技术的发展,以及影像学设备(CT、MRI)的进步,对于一个复杂生命系统及其疾病的了解已经从定性判断过渡到精确量化,不再仅凭经验和感觉,而是用数字化和可视化的方法发现患者复杂生命系统中质的差异、变化及生命现象的变化规律,这就是医学的数字化过程。

    一、 三维重建原始数据的获取

    目前,国内外医学图像三维重建的原始图像数据来源有多种,包括:

    基于尸体铣切的图像数据集,应用较为广泛的是美国的VHP尸体数据集、韩国的VKH尸体数据集和中国的VCH尸体数据集;基于活人体CT、MRI、CR等影像学设备采集所获得的数据集。根据获得的原始数据,导入计算机后利用各种三维重建软件进行三维重建。多排螺旋CT扫描后,图像后工作站也能进行三维重建。

    1.1 基于尸体铣切的图像数据。

    计算机三维重建1989年,美国国立图书馆(NLH)开始可视人计划(VisibleHuman Project,VHP)。1 994—1995年,Colo rado大学利用机械切割技术,分别对1例男性、女性尸体标本进行切割,切片距离分别是1 mm、0.33mm,并完成了男女两组VHP的数据集“1。VHP的数据集公布后,美国及其他各国研究机构纷纷借助VHP的数据集,利用计算机三维重建软件开发出人体各部位三维模型”1。2000年,韩国推出了可视韩国人(VisibleKorean Human,VKH)数据集,切片距离为0 2mm,并利用三维重建软件建立了人体三维模型”1。2003年,钟世镇”1等建立了虚拟中国人(Virtual Chinese Human,VCH):张绍祥哺-81等借助VCH数据集在骨科、神经外科、心脏系统、腹部外科等方面进行了三维重建的研究,钟世镇‘9l、方驰华[101等利用VCH数据集在骨科、肝胆外科、妇科等方面进行了三维研究。

    1.2 基于活人体CT扫描数据

    在CT工作站三维重建随着CT的发展,目前国内外使用的64排、256排螺旋CT的图像后处理工作站均自带有三维重建功能。如美国通用电气公司(GE}生产的螺旋CT扫描设备附有的基于图形工作站的医学图像可视化系统,可以用不同重建方法将输入的多层二维CT图像或MRI图像重建成三维形体,并能对三维图像作任意位置剖切以观看内部结构。此外,还有测量距离、计算体积等功能。2008年,MasahikoTaniguchi1等利用64排螺旋CT自带的三维重建功能,重建出活体肝移植供体肝脏及肝静脉模型。

    1.3 基于活人体CT、MRl扫描数据.

    计算机三维重建由于CT、MRI等影像设备技术的发展,加之计算机图形处理学的发展,越来越多的研究者倾向于基于CT、MRI数据,再利用三维软件进行三维重建。此种方法重建的优势在于:数据来源于CT、MRI等扫描获得,获取数据的途径较尸体容易,费用也低:数据来源于CT、MRI扫描后的活人体,三维重建的模型更接近真实人体,而尸体三维重建的模型,其管道塌陷明显,虽经过灌注但效果仍难以令人满意i CT、MRI扫描的数据较之尸体切片数据,三维重建软件更容易处理、分割;此方法三维重建后,临床应用更为广泛。如患者进行CT、MRl扫描,三维重建后,临床医师可以针对三维重建结果指导诊断、术前手术规划等操作。

    方驰华等基于64排螺旋CT扫描数据,利用自主开发的腹部医学图像处理系统(MIPS)三维重建出腹部各脏器及其管道的三维模型。重建的三维模型图像清晰、逼真,并已用于临床指导临床疾病的诊断与治疗。

    二、计算机三维重建软件的开发、利用情况

    2.1 国外三维重建软件国外较成熟的三维重建软件

    新加坡——Dext roScope系统。比利时——MIMlCS系统,美国宾州大学——3DVIEWNIX系统,美国Mayo医学中心——Analyze系统,美国Kitware公司——VoIView系统。德国VG公司——VGStudio MAX系统,美国Able Software公司——3D Doctor系统,美国一一波士顿布里格姆妇女医院手术计划实验室和麻省理工学院的人工智能实验室一一3D Slicer系统,美国——AVS/Express系统等。

    它们的功能特点主要包括以下几方面:均支持多种格式的数据(如CT、MRI等影像学数据);数据处理、分割、配准等功能强大;基于Windows XP操作环境以上;三维重建图像质量较清晰,能提供旋转、放大、缩小等操作功能;部分软件具有能将CT、MRI数据融合功能,如DextroScope系统、VGStudio MAX系统等。不足之处主要有:一是大部分三维重建软件为商业软件,价格昂贵(如比利时的MIMICS系统报价约30万人民币),少数免费使用的三维重建软件其三维重建功能又不能满足要求,极大地限制了国外三维重建软件的推广应用:二是大部分三维重建软件操作复杂,需具有较为专业的计算机知识,而使用这些软件的临床医师恰恰计算机知识比较匮乏,难以熟练掌握三维重建软件的使用方法,造成三维重建效果不理想;三是三维重建软件应用范围不均衡,主要在骨科、整形外科、神经外科等领域应用较为广泛,体现出一定的优越性,而在腹部外科、妇产科等领域应用则较少。

    2.2 国内三维重建软件国内的三维重建软件开发较晚

    我国技术力量较国外也薄弱,目前比较成型的有:2001年中科院自动化所人工智能实验室何晖光、田捷等开发出的“医学影像诊断工作台”(即3DMED系统),它是一款免费的三维重建软件,能完成对CT、MRl等影像学数据的三维重建,但目前尚未得到更好的维护,导致很多功能不够健全,应用受到限制。复旦大学医学影像组与上海第九人民医院开发的三维医学影像软件一MedVol,它可以调整二维CT或MRI图像的对比度、显示任意角度的二维图像:使用连续的二维切片重建三维图像,使用三种重建算法:体绘制法、等值面法、立体切片法,同时提供从横断面、冠状面和矢状面方向显示CT切片。大连理工大学CAD&CG研究所研发的基于“CT&MRI”的医学图像三维重构可视化系统“,山东大学开发的医学图像处理软件系统比,西安盈谷科技有限公司的医学影像3D高级处理软件系统—AccuRadpr一1261等均能基于CT、MRI的影像学数据,重建出较为逼真的三维模型。

    2006年,南方医科大学与华南师范大学计算机学院合作开发出一套专门针对腹部医学图像处理系统——MIPS,它的特点主要有:MIPS系统专门针对腹部脏器及其管道脏器三维重建,针对性强:基于活人体的CT扫描数据,重建的图像完全符合真实人体腹腔内部情况;MIPS系统操作简单,临床医师具备简单计算机知识便能操作,且软件目前仍是免费,方便推广应用;MlPS三维重建速度快,更加适用于临床:三维模型可在计算机中做放大、缩小、旋转等各种操作,交互性好;根据需要,可重建出整个腹腔所有脏器模型和管道系统。

    三、 仿真手术系统研究

    国际上公认的第一代虚拟手术仿真系统为80年代末由Delp和Rosen研制的用于观察关节移植手术过程和结果的仿真系统。1991年,Satava完成了第一个腹部手术的仿真系统,其结果与真实感、交互性相差甚远,但系统提供了通过在组织周围漫游来观宗组织并使用虚拟的手术器械进行手术的手段。1993年,Merrill构造了一个人体躯干的图像数据表示,它可以模拟一些器官的物理表现,如折叠、拉伸以及在切割时的边界收缩等。1995年,Levy在手术仿真系统中加入了简单的力反馈设备,第一次实现了真正意义上的医学虚拟手术。

    目前,虚拟手术的研究和开发己经有了很大进展。法国的INRIA研究项且组根据线弹性理论和有限元模型建立了肝脏的模型,实现对肝脏在外力作用下的变形进行预计算,可以仿真对肝脏的切割和撕裂等。德国Karlsruhe的应用计算机科学研究所针对最小损伤手术的内窥镜手术训练系统,能够仿真软组织的切割、抓、捏、烧灼等动作,该系统被成功应用于妇科手术等仿真。德国Erlangen大学的远程通信实验室研制了颅面手术规划与仿真系统。2003年,斯坦福大学的JoeI B rown完成了血管以及血管缝合的仿真,西班牙研制开发的带有力反馈功能的三维微创手术培训系统,美国华盛顿大学开发的关于外科手术缝合操作的实时仿真,瑞士联邦工学院对基于手术诊断的带有力反馈功能的虚拟仿真、图像及三维重构技术进行了研究,美国南加利福尼亚大学医药学院对神经外科手术的仿真进行了研究倥8一矧。

    与国外研究情况相比,我国的虚拟手术研究才刚刚起步,目前清华大学、浙江大学、国防科技大学、北京航天航空大学、东南大学、香港中文大学、青岛大学等一些单位都开展了虚拟手术仿真的研究。浙江大学提出了一个基于粘弹性模型的生物体软组织变形模型。清华大学计算机科学与技术系与北京航天航空大学机器人研究所联合开发了基于虚拟现实的计算机辅助立体定向神经外科手术系统u“,系统对医生的诊断和手术起到培训和教学的作用,但只适用于神经外科,且该系统所要建模的组织是通过人工手工勾画出来的,效率很低,准确性也达不到要求,此外系统仿真方面比较欠缺,不具有力反馈,仿真手术时用户感觉不到力的存在。国防科技大学与301医院联合开发了虚拟膝关节镜手术系统和虚拟心脏介入手术系统吲;谭珂删等在2005年把触摸过程中的面弹力和粘滞摩擦力的实现原理和方法设计鼻腔镜虚拟手术仿真系统;天津大学许天春[341等在2006年使用PHANToM设备,设计了一个声带肿物切除仿真系统:青岛大 学潘振宽1351骱tTensor—Mass模m-J进行了软组织变形仿真技术的研究:上海交通大学谢叻瞄圳等研究了具有力学变形、感知的虚拟手术器械。

    目前,国内外比较成熟的仿真手术系统主要有:新加坡的DextroScope系统,它不仅具有三维重建功能,同时具有简单的仿真手术切割、缝合功能¨“:德国的实时虚拟手术系统——KISMET系统,该系统实现了腹腔手术的模拟,利用有限元模型模拟手术时腹腔器官的变形,实现对组织器官的夹取、剪、切、(血液)凝结、注射和缝合等各种情况的模拟,同时也可完成对手术区域的冲洗和吸气的模拟。他们对肠和胃进行了活性变形体的形态动态仿真和树形动脉血管的仿真,并辅助力反馈设备,可以进行触诊,得到非常逼真的模拟效果。这个虚拟系统可用于利用腹腔镜的微创手术训练。该研究中心于2002年又推出了系列系统VSOneu;南方医科大学与华南师范大学计算机学院合作开发出的腹部医学图像处理系统,不仅具有强大的三维重建功能,同时将三维重建模型导入FreeForm ModelingSystem及.其自带的PHANTOM设备中,可建立逼真的仿真手术环境,并在系统中二次开发了仿真手术器械,可完成切割、夹取、缝合等仿真操作,并且每一步手术操作都具有力反馈效果,犹如真实手术操作¨“。

    四、总结与展望

    综上所述,国内外医学图像三维可视化仿真研究方法多种多样,短短20多年就取得了丰硕成果。目前存在的问题主要包括:医学图像三维可视化仿真系统研究涉及到的领域包括临床医学(主要是临床外科)、人体解剖学、影像学、计算机图像处理学、弹性力学、物理学、光电子学等,因此,医学图像三维可视化仿真系统研究要进一步发展,需要有以上学科的同步发展,并需要以上学科相关人员的通力合作,而目前的研究基本是各研究机构独立研究,缺乏多学科、多专业合作;由于CT、MRl对周围神经系统、淋巴系统等人体结构难以扫描清楚,基于CT、MRI扫描数据的三维重建也就难以完成,而这些结构在疾病的诊断、手术方式的选择上又具有重要地位;用于三维重建的软件均为商业性质,价格昂贵,且大部分三维重建软件操作复杂,需具备专业的计算机知识方能熟练操作,这限制了它们的应用;国内外仿真手术系统研究处于初步阶段,尚难以真正仿真外科手术操作,如外科手术切割的组织的变形、切割血管的出血过程等:目前的医学图像三维可视化仿真系统临床应用价值有限。

    医学图像三维可视化仿真系统的研究对象是最复杂的人,是一项永无止境、前景广阔的科技事业,需要多学科的合作,才能将它们推向更高的台阶,才能更好地为人类的健康服务。

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