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虚拟人研究现状及展望
2015年7月22日    评论:    分享:

   来源:第三维度
   作者:方驰华,周五一,钟世镇

   “虚拟人”是通过虚拟现实技术模拟真实的人体结构而合成的三维人体模型。这种模型不仅具有人体的形态结构 ,而且具备生理机能“。研制“虚拟人”需要经历“可视虚拟人”、“虚拟物理人”、“虚拟生理人”和“虚拟智能人”4个发展阶段。目前 的研究成就多为第一阶段。现就“可视虚拟人”的研究 发展状况概 述如下。

    一、 虚拟人体数据集的采集

    Spitzer等 在对男、女尸体标本包埋冰冻后,采用工业铣床逐层铣切的方法获取人体断面图像数字化数据集。男性共有 1878个横断面图像 ,相邻断面之间间隔 1.0mm;女性标 本共 有 5189个横 断 面 图像,相 邻 断 面之 间 间隔0.33mm。再将数据集在计算机上进行人体结构 的三维重建。但这两套数据集存在下列问题H :(1)男性尸体生前 15岁时行右睾丸切除,21岁时行阑尾切除术 ,38岁时第 14号牙齿被拔除。(2)尸体初期防腐处理 ,从右股动脉灌注 19L浓度为 1%的甲醛溶液和抗凝剂,每一侧前臂背部经皮注射约60rrIl。右侧股静脉切开放 3L血液 ,造成了整体标本的变形。(3)男、女尸体标本铣切前被分别切割成4段和 3段,导致被截处有 1.5am 的数据缺失。(4)切面间距精度不够 ,男 、女 尸体分别 不 能显 示直 径在 1.0am 和 0.33mm 以下的细微结构。(5)冰冻切片断面缺少血管、神经信息。

    Chung和 Park 采用一具 33岁 的男性尸体标本,行间距为0.2am冰冻铣切,获得8590个横断面图像数据集。这套数据集采用整具尸体标本铣切 ,避免了分段铣切所致的数据缺失,比较精细。文献报道了2例采用血管灌注的标本的数据集 VCH.F1和 VCH—M1 ’。VCH·F1和 VCH-M1的尸体标本 ,经动脉灌注红色填充剂后 ,冷冻包埋 ,在立式铣床上行等间距为 0.2mm的连续切削 ,VCH-F1共获取 8556个断面图像,VCH.M1获得断面图像 9232张。VCH-F1和 VCHM1的主要进步是采用血管灌注技术解决了数据集中无血管信息的缺陷。方驰华等 采用不同浓度的银珠粉和不同的颜色配方的灌注材料分别对肝脏的肝动脉、肝静脉、门静脉、胆管进行灌注、冰冻包埋和间距为 0.2mi铣切 ,在铣切的图像上以不同颜色清晰地显示肝脏的 4种管道。该数据集对研究虚 拟肝脏有重要 意义 。

    二、虚拟人体器官局部解剖和系统解剖

    利用“虚拟人”数字化数据集进行三维重建是一种“人体数 字化解剖学 ” 研 究 ,可 以创 立 虚拟解 剖学 、横断 面解剖学、纵剖面解剖学、斜剖面解剖学以及一系列医学临床、教学和研究的虚拟模拟。其优点是在空间中具有准确的定位 ,可以立体地从各个角度观察各解剖结构、测量各种 数据。

    Plfesser等… 和 Hohne等 利用 VHP数据集研究出人体结构解剖学虚拟系统 VOXEL-MAN,将人体结构都给予标记和描述,提供正常立体解剖结构图像和放射影像学图像。使用者戴立体眼镜 ,不仅可以除掉、添加、寻找某一器官或结构,也可以全方位旋转 目标或添加注释,来很好地理解和掌握有关内容。Xu等” 利用 VHP数据制作 了一个成年男性全身模型 VIP.Man。方驰华等 用 4种不同银珠粉浓度和不同颜色配方的灌注材料分别对肝脏的4种管道系统进行灌注和铸型,然后螺旋 CT扫描和冰冻铣切(间距 0.2mm),肝脏的4种管道在 CT扫描 图像上显示不同的 CT值 ,在冰冻切片的图像上显示 4种不同的颜色。CT扫描数据集三维重建时,可以根据 CT值不同定义肝脏管道 和实质的颜色;铣切数据集重建时就用本身的颜色即可。重建的三维肝脏模型不仅可以通过立体图像的放大、缩小和旋转来对 目标进行全方位的观察,而且还可以为各种组织设置颜色和透明度,提高各组织之间差异性 ,来区分各组织的结构和位置。郭燕丽等¨’ 可视化人体心脏部分的数据集在 SGI工作站进行三维重建,重建的结构能够以多结构、多彩色实体模型方式显示心脏内部各结构的空间位置和毗邻关系 ,在三维空间位置上任意角度旋转 ,实现了心脏的三维可视化。

    三、虚拟内镜系统

    虚拟内镜是应用虚拟现实技术 ,利用 CT、MRI或冰冻切片的人体解剖结构的连续二维图像组成 ,计算机显示连续的三维器官内腔结构视图,使用者可以沿这个虚拟的内部空腔模拟传统的内窥检查过程观察,甚至还可以观察解剖结构的三维外观图像。虚拟内镜是非侵入性的,可以对同一个器官任意地进行重复检查,尤其是能够检查到光学内窥镜接触不到或不能检查的人体内部许多重要的器官如脑、脊椎管、内耳 、胆管、胰管、大血管等。 目前,有关虚拟内窥镜 的研究和应用主要集中在具有空腔 的大器官上 。美国 GE的研发中心开发了一套虚拟内窥镜医学应用系统,这个系统使用CT或 MRI切片图像重建 ,生成三维的器官来模拟内窥镜 的检查过 程 和进行 测 量 。PhengAnnHeng等 利 用肺 和支气管的CT或 MRI检查 的二维图像建立三维模型来模拟支气管镜检查和测量;利用 VHP数据集建立三维膝关节的虚拟模型,这个模型利用一种特殊的有限源(hybridFEM)的方法模拟软组织手术切割的形态改变。这套系统装备有反馈装置,令使用者戴上立体眼镜后有三维视觉效果。邱明国等 应用中国数字化可视人体数据集耳部连续断面图像,在 SGI工作站进行三维重建和立体显示,成功获得耳部可视化漠型,并模仿耳内窥镜对中耳、内耳结构进行三维观测。

    虚拟内窥镜的发展非常快,现在的螺旋 CT、MRI几乎都配有三维重建的软件,可以进行虚拟内窥镜的检查。医师利用虚拟内窥镜可以准确地判断人体管道结构发生占位性病变的准确位置 ,以及与周围结构的关系 ,对病情全貌有一个详细地了解。同时也解除了患者行 内窥镜检查所受的痛苦。

    Tmlizawa等 利用磁共振的图像,对 26例胰腺癌患者行虚拟胰管镜检查 ,其中 15例胰头癌,7例胰体癌 ,4例胰尾癌。

    磁共振扫描 间距 2—3mm,虚拟 内窥镜检查后发现 20例(76.9%)胰腺癌,其中胰管内占位性病变 4例(15.4%)、胰管不规则狭窄 13例(50%)、3例存在狭窄但狭窄的情况不清晰。刘聚卑 开发了一套虚拟食管一支气管内窥镜虚拟系统,采用喉部 CT图像重建高质量的三维视图,并且在视图中提供解剖结构的提示功能。1995—1998年,他们对 89例肺癌患者进行了虚拟内窥镜检查和标准内窥镜检查的比较研究。结果表明,这套系统能够准确地显示食管一支气管及其外围组织的解剖结构图像,具有广泛的临床应用潜力。

    四、虚拟外科手术

    现代外科学的飞速发展与现代科学技术手段在医学上的应用密不可分。应用虚拟人的研究成果,利用虚拟现实技术,在计算机上虚拟的环境中,使用虚拟手术器械(手术刀、止血钳等)在“虚拟人体”上进行手术,这就是“虚拟外科手术”。外科医师可以利用它来反复操练,熟悉手术过程 ,提高手术技能,缩短成长时间;也可以利用它来开展新手术和对已开展的手术温故知新、精益求精。Reinig等 利用 VHP数据重建人体模型 ,使用虚拟的手术刀在重建的人体模型上操作 ,利用特殊的设备 PHANTOM产生“真实”的视觉和触觉效果。PhengAnnHeng等 副建立 了虚拟膝关节镜训练系统。Kockro等 开发的虚拟颅 内可视和导航系统。利用患者术前所获得的影像检查资料(CT、MRI、MRA等)三维重建所构造的虚拟环境来对脑瘤和颅内血管畸形的手术进行规划和模拟。黄伟等 基于强大的有限元分析软件 ANSYS,开发了一套用于心血管系统动脉粥样硬化病灶部位血流动力学的分析软件,该软件将医学图像数字化处理,将计算流体力学与流动可视化技术有机的结合起来,形成一个方便、快捷的血流动力学分析集成软件环境,让医生在虚拟环境下对心血管疾病进行外科手术规划,优化手术方案。

    利用虚拟人体结构模型,建立外科手术计算机模拟系统,具有十分重要的意义:(1)术前规划与演练:能够利用患者检查图像数据,制定手术规划并可不断的针对性练习.更正手术方案,确立最佳手术路径,减小手术损伤 ,减少对临近组织损害,提高手术定位精度,提高手术的成功率 ,降低并发症。对活体肝移植供肝摘取效果更加明显。外科整形美容手术方面,外科医师在手术以前,将患者的检查数据附加到虚拟人体上,对将要施行的手术所要达到的效果进行设计 ,并可和患者一起商讨 ,达到最好的、医患双方共同满意的效果。(2)术中导航与监护:现在 国内外 已经有手术机器人(如伊索、达芬奇等)应用于临床 ,进行外科手术 ,尤其是在精细手术的神经外科和心血管外科。(3)手术教学和训练:有了“虚拟手术”,医学生不用出手术室现场观摩手术过程;有了“虚拟手术”,医学生可以不受时间和场地 的限制学 习手术 ,甚至实习手术过程。有了“虚拟手术”,外科医生可在虚拟手术系统上观察手术过程。(4)器官移植供、受体匹配模型:虚拟手术能够帮助医生在进行器官移植手术前 ,通过影像资料三维重建,对其尺寸和形状进行精确测量,评估两者形 态学方面的匹配度 。(5)改善 医患 关 系:大量 的 医患关系紧张是因为医患之间缺乏沟通造成的。虚拟人体和虚拟手术可以为医患关系搭起了一座桥梁。有了它们,医生可以很容易地向患者详细地介绍病情、手术治疗方案及演练手术过程,达到充分理解和互相信任的良好的医患关系。

    五、虚拟器官在肿瘤放射治疗、射频消融、介入治疗中的作用

    放射治疗、射频消融、介入治疗是治疗肿瘤的重要手段。目前 ,医生只能根据 CT等检查的二维图像进行范围和辐射量的调节,患者往往遭受不恰 当的辐射。有了虚拟人,医生可以先对虚拟人做模拟放射治疗 ,通过其身体的变化来测定实际辐射量的使用,最后再用到真正的患者身上使放射剂量大小和面积极小化 ,提高治疗的安全性。有利用 VHP数据制作了一个成年男性全身模型 VIP—Man,将高精度三维人体与光子、电子、中子 和 原子 辐 射模 型 功 能 相结 合 的报道 。VIP—Mna 已经分割出并归类 了多个对核辐射敏感的器官和组织 ,包括皮肤、呼吸道、眼晶体、红骨髓等等 以往被认为太小而不能建模型的器官组织 ,能模拟它们在接受放疗时对发射线剂量的分布做出不同的响应。美国橡树岭国家实验室的癌症放疗规划系统 ,利用 VHP男性数据建造了一个虚拟人体躯干,并开发了放射线对邻近组织的扩散算法 ,使得放射剂量得到优化。射频消融、介入治疗时邻近组织的扩散算法 ,使得放射剂量得到优化;也可根据患者的疾患处所检查的图像资料重建立体模型,精确地显示结构形态,准确地计算治疗范围和治疗量,在术中给予准确地引导和进行 治疗 。

    六、虚拟针灸系统

    余安胜等 刮 使用 40岁的正常男性人体标本,采用低温下标本灌注后穴位的断面切割和逐层切割方法,每层不超过2.0nlln,建立穴位断面标本 图像库和人体标定穴位后的逐层断面解剖图片库,获得439个穴位断面标本和图像2300张。人体穴位标本断面切割标本为穴位的其他相关的形态和机能的系统研究提供了原始的形态图像资料,利用所获得的数据进 行人体针灸 穴位三维重 建的研究。Pheng Ann Heng等 利用 VHP数据集,运用虚拟现实技术 ,在仿真系统上三维重建人体模型,并标记人体穴位和经络,在 BARON上显示。使用 者只要戴 上特制 的立体 眼镜 ,就 可 以看到BARON上虚拟现实的立体假人 ,使用仿真系统的特殊设备可以在三维立体模型上针灸 ,并且通过配套的立体感观手套感觉针刺入“肌体”的力度。

    七 、展 望

    从 1996年开始,美国橡树岭 国家实验室牵头虚拟人创新计划(thevirtualhumanprojectnitiative),其主要设想是将人类基因组计划和可视人计划的研究结果结合起来,完成人体的物理建模,能够模拟人体器官组织和整体在外界物理刺激下的反应 。1997年华盛顿大学的 Jimassingthwaighte博士发起的生理人(thephysiomeproject,HPP)研究 ,提出开发有助于对细胞、器官、有机体整体功能理解 的数据库和数学计算机模型的设想。其 目标是统合生物物理 、生物化学和物理学的研究成果,对性质和功能做出预测 。虚拟人研究是一 项系统工程,涉及的领域多 ,实现难度大,它需要解剖学家、生理学家、医学家 、计算机专家 、仿生学家等参加,尤其是跨学科、跨专业的研究人员参与,利用先进 的计算机系统和虚拟现实技术才能完成并且需要不断丰富的一项艰巨的工作。从 VHP开始至今 ,这项工作只是刚刚开始,现在绝大部分都只是“虚拟”了人体或器官、组织的形态 ,仅个别的研究者加入了极少部分的生理功能 ,如 VIPMAN。从某种 意义上说还只是一种 “虚拟可视人” 只有借助信息科学 的技术 ,不断地将人体的物理性、生理性和智能性参数加 以数字化 ,赋加在可视人的框架以后 ,才有“虚拟人”的功能 J。所以更进一步完善人体结构信息(血管、神经、淋巴)的采集和重建,以及与功能虚拟结合 ,完成整个人体的生理、心理的虚拟是以后的研究方向 。

    参考文献

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标签:虚拟人钟世镇医学手术
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