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2020/2/221科學計算可視化及虛擬現實的醫學應用清華大學計算機科學與技術系唐澤聖2020/2/222內容提綱1.國外動態簡介---CARS’2000會議側記2.一個計算機及機器人輔助的立體定向神經外科手術系統3.问题和挑战2020/2/223國外動態簡介---CARS’2000會議側記这一会议是由四个会议联合召开的：第4届计算机辅助外科手术会议(ISCAS）第14届计算机辅助放射治疗会议(CAR）第2届计算机辅助诊断会议（CAD）第6届计算机辅助颌面图象处理会议（CMI）2020/2/224基于虚拟现实的手术训练和学习传统的医疗手术训练和学习是按照“师傅带徒弟”的方式进行的，手术室就是教室，也是特殊的实验室。有经验的医生通过“作一个，看一个，学一个”的方式训练初学者。教学内容随机的依赖于病人的出现，有很大的不可预见性，难于进行系统的教学。上述训练方法将延长手术时间，增加手术成本，甚至影响手术质量，因而常常遭到病人的抵制。2020/2/225可视化和虚拟现实技术的出现为外科手术的训练和学习开辟了全新的途径。可以根据CT或MRI数据在计算机内建立人体组织结构的三维模型，赋予相应的纹理以提高真实感，并可实现该组织结构的三维动态显示。虚拟环境还为操作者提供了方便的三维交互工具，可以模拟手术的定位与操作。2020/2/226在高性能的计算机环境下，还可以对手术者的操作给出实时的响应，如在外力作用下的软组织形变，撕裂，缝合等。这样的虚拟现实環境将为初学者提供一个具有真实感的，高效的，可重复使用的外科手术训练和教学环境，极大地提高训练质量，降低训练成本，具有广阔的应用前景。2020/2/227目前，国际上已经有不少基于虚拟现实的手术训练和模拟系统出现。例如;CSTseng等开发的基于微机的具有力反馈功能的腹部手术模拟器S.Cotin等开发的介入式心脏外科手术训练系统C.Baur等人的基于虚拟现实和力反馈的内窥手术模拟器M.Downes等人的用于训练腹部手术关键技术的虚拟环境A.D.McCarthy等人用于膝关节手术训练的虚拟环境等。2020/2/228“可见人体”计划的新发展（VISIBLEHUMAN）1989年，美国国家医学图书馆根据专家的建议，提出了一项被称为“可见人体”（VISIBLEHUMAN）的计划。构造一个由体数据表示的健康成人男性和女性的数字图象库。它包括冷冻尸体断层切片数字图象，CT扫描和MRI数字图象。1994年11月由科罗拉多大学医学院完成了男性数字图象库的制作，它包括间隔为1。0毫米的1971片数字图象（共15GB）。1995年11月完成了女性数字图象库的制作，它包括间隔为0。33毫米的5189片数字图象（共39GB）。2020/2/229这些数据可以在签定协议后通过因特网或DAT磁带无偿提供。迄今为止，美国国家医学图书馆已经和43个国家的用户签定了1400多个协议，并且，已经召开了两次有关“可见人体”的国际学术会议。目前,专家们已经发现它的一些缺点影响着人体特定部位的解剖教学。1998年2月，美国国家医学图书馆和美国牙科和颌面外科学会联合召开的一次会议上，探讨了医学教育和研究对更高精度人体解剖模型和更强有力的数字图象处理工具的需求，并建议在原有基础上作如下三个方面的扩展：2020/2/22101．网络环境下头部和颈部的解剖结构图开发公用的美国国家医学图书馆（NLM）网站，用以提供基于现有“可见人体”数据的人体解剖结构。其目的是构造人体头部和颈部的解剖结构和功能图谱，它是将“可见人体”数据和其它辅助数据用于教学的一个原型系统。这项开发中应用于教学的功能模块可以表示面部表情，及咀嚼，吞嚥，发音等过程，使用户可以通过交互操作观察到具有旋转功能的三维图象，例如，在咀嚼过程中，肌肉控制上，下颌骨运动的过程等。2020/2/22112.减少“可见人体”数据的人为误差，提高组织结构之间的对比度解决尸体样本准备过程中所引入的人为误差，并提高神经结构的对比度。构造新的，无引入误差的，且具有神经结构的“可见人体”数据集，但目前只包括头部和颈部的特定区域。2020/2/22123.用于“可见人体”数据的图象处理软件工具目的是开发用于医学图象分割，分类，形变和对准的图象处理软件，并可作为进一步研究医学图象理解的基础。目前的这一计划不包括医学图象的可视化，但该软件工具将支持多种多样的可视化和绘制平台。由于人机交互部分也不是此项目的内容，因此，该软件将易于与现有的可视化和绘制系统集成在一起,形成一个公用的软件资源，与“可见人体”数据一样，通过签发无需付款的许可证，可以对这一软件的源代码和图象处理工具进行访问。2020/2/2213虚拟内窥技术及应用虚拟内窥是三年来刚刚出现的一项新技术。它从一系列的CT或MRI图象获取医疗数据,重构出体内组织结构的三维虚拟模型，通过交互方式在该三维虚拟模型内部进行漫游，实现虚拟内窥。2020/2/2214虚拟内窥的优缺点：優點可以观察到真实内窥观察不到的部位。可以在不损伤人体组织的情况下进行观察，因而不给病人带来痛苦。体内组织表皮后面的信息也可以看到。虚拟模型的几何尺寸可以度量。由于上述优点,虚拟内窥在近年来发展很快。2020/2/2215缺点虚拟模型不具有真实的颜色属性，体内结构的真实颜色属性是有利于疾病诊断的。因此，虚拟内窥尚不能在所有情况下代替真实内窥，但是，它的确是医生进行诊断的一个有力工具，也可以应用于手术规划和模拟，医学教育和训练等。2020/2/2216医学图象档案管理和通信系统（PACS）收集，存储，分配和显示医学图象的系统。当前，PACS有两种系统结构。集中式的存储结构分布式存储结构两者各有其优缺点当前，推动PACS系统每年以30%的速度增长的因素有：2020/2/2217降低成本：胶片和胶片库的减少，可以抵消系统安装，服务和管理所需的费用。减少胶片的“遗失”：这并非胶片真正地“遗失”了，只是在医生需要使用时找不到了。改进对病人的治疗：基于医学图象的预先研究和比较，可及时得到医疗报告，並直接送到医生的办公桌上,将显著的改进治疗过程，缩短病人的等候时间。提高病例研究的质量：当前图象处理技术的进步；使得对多于1000幅的CT或MRI图象的对比研究成为可能。而这对于胶片图象是不可能实现的。2020/2/2218当前，PACS系统的发展已经可以构造一个完全数字式化的影像部门.尽管PACS系统有许多优点，但是，目前尚不可能实现无胶片医院。因为当前的PACS系统虽然可以满足影像工作者的需要，但是还不能满足医生和他们的病人的需求。许多医生不满足于仅仅阅读放射科医生的报告，而不审视实际的影视图象。如果，技术的发展尚不能使得向每一个医生提供高分辨率的终端在经济上是合算的，那么，医生们就会要求继续使用胶片。2020/2/2219一個計算機及機器人輔助的立體定向神經外科手術系統優點不需開顱不用笨重的金屬框架定位病人的損傷小,恢復快2020/2/2220一個計算機及機器人輔助的立體定向神經外科手術系統技術特點由CT或MRI圖像提取顱骨及病灶部位輪廓線由輪廓線重構三維模型機械臂是交互定位工具,也是手術器械支撐平台用標誌點實現病人物體空間,模型空間和機械臂空間三者的轉換和匹配2020/2/22212020/2/22222020/2/2223應用情況中國人民解放軍海軍總醫院已經利用這一系統施行神經外科手術100餘例,全部獲得成功.且已在瀋陽等地醫院推廣.目前,正由一家公司將該系統實現產品化,爭取今年內提供用戶使用.2020/2/2224问题和挑战二维/三维医学图象的分割微机环境下三维复杂真实感模型的重构及实时绘制三维空间的定位及交互操作运动路径的控制及碰撞检测软组织的形变模拟（无/有拓朴变化）虚拟模型及真实图象的对准智能化人机交互环境的建立