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  • VR技术在医疗领域的运用
    浏览次数:889次 更新时间:2019-06-03


           在虚拟环境中,可以建立虚拟的人体模型,借助于跟踪球、HMD数据手套等,可以很容易了解人体内部各器官结构。近年来,虚拟现实技术的出现为虚拟实验的发展带来了新的生机。由于它采用了3D 数字化技术、多传感交互技术以及高分辨显示的科学可视化技术,能够生成三维逼真的虚拟场景,并能使用户与场景进行实时交互,感知和操作虚拟对象,因而能够提供比现有虚拟实验更佳的性能和更好的手术预演效果。本文对近5VR技术在医疗手术预演方面进行了概括性介绍,并预测未来的发展方向。

    一、虚拟现实(VR)技术在医学中应用的历史

          VR是一项综合集成技术,涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域,它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉,使人作为参与者通过适当装置,自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的3D世界影像传回产生临场感。

    1. 虚拟现实理论的完善和发展为医学科研与教学应用奠定了基础19943月在日内瓦召开的第一届WWW大会上,首次正式提出了虚似现实建模语言(virtual reality modeling languageVRML)是一项和多媒体通讯、因特网、虚拟现实等领域相关的新技术其基本目标是在因特网上建立交互式三维虚拟环境。它既可以作为三维实体的建模工具,也可作为实现交互式虚拟实验操作的编程工具。后来又出现了大量的VRML,如:X3DJava3D等。

     1994年,Burdea G Coiffet出版的《虚拟现实技术》一书中描述了3个基本特征3I

    imaginationinteractionimmersion),这是在James D Foley教授1987年提出的3个关键元素(2IB)[1]基础上的进一步改善,Burden 认为在2I的基础上增加一个I (immersion) 能更好地表示任何VR系统的属性。因此,他用3I精辟地概括VR的特征。这是对VR技术和理论的进一步完善。

     虚拟现实技术由简单的有声、有形、有动态的模拟逐步发展演变到想象、交互、沉浸的VR技术。即由蕴涵和萌芽阶段的单个I演变成2I,发展到3I

     2.虚拟现实技术在医学领域的应用

     在虚拟环境中,可以建立虚拟的人体模型,借助于跟踪球、HMD、感觉手套,可以很容易了解人体内部各器官结构。另外,在远距离遥控外科手术,复杂手术的计划安排、为手术过程提供操作和信息上的辅助、预测手术结果及改善残疾人生活状况,乃至新型药物的研制等方面,VR技术都有十分重要的现实意义。

     1985年,美国国立医学图书馆(NLM)就开始人体解剖图像数字化研究,并利用虚拟人体开展虚拟解剖学、虚拟放射学及虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学,目前已经有虚拟人体模型可供下载。

     美国于1989年首先提出可视人体计划,使数字化可视人体研究引起了全世界的关注。

     1994年英国曼斯特皇家医院成立了欧洲第一个虚拟现实开发中心,用于最小刺入疗法。

     2003年初,我国第一军医大学宣布完成了国内首例女虚拟人的数据采集。

     利用远程医疗虚拟现实系统,医生只需对虚拟病人模型进行手术,并通过高速宽带网络将医生动作传送到网络另一端的手术机器人,由机器人对危急病人实施远程手术。手术实际进展的图像也可通过机器人摄像机实时传给医生的头盔立体显示器,并将其与虚拟病人叠加,以便医生实时掌握手术情况并发出手术指令。美国斯坦福国际研究所已成功研制出远程手术医疗系统。

     二、VR技术在骨骼手术中的应用

     1.颌骨缺损修复和畸形整复中的应用将计算机辅助设计/计算机辅助制造技术应用于颌骨缺损修复和畸形整复手术中,以提高手术的精确性和可控性。朱慧勇等基于CT数据,采用CAD技术重建出患部骨骼模型,通过镜像得到修复模型,再利用快速成形技术制造出物理模型,在此基础上制订手术方案,并通过模型外科进行手术方案预演和置入钛板预成形。结论是基于CADCAM技术制订的手术方案和预成形钛板在8例颌骨缺损修复和畸形整复手术中均取得了满意疗效。结论利用CADCAM技术可重建并制造出患部骨骼模型和镜像修复模型,对制订较为合理的颌面外科手术方案具有较大的帮助,提高手术精度的同时节省了手术时间,在复杂颌骨缺损修复和畸形整复中具有独特的优势。

     2.正颌外科手术应用

     温州医学院附属第一医院口腔科的张林等人应用医学可视化技术和Visual C一编程语言开发出立体结构三维重建和手术模拟软件,建立以cT数据为信息源的计算机正颌外科立体可视化手术仿真模拟系统,可模拟各种正颌外科手术移动骨质过程,并且以动态动画形式演示,可从任意角度进行观察。结果:该系统建立了颅颌面畸形立体结构模型,以动态形式成功演示了正颌外科截骨移动手术仿真模拟,手术过程真实逼真,立体可视化效果好,应用普通播放软件即可在计算机屏幕上播放模拟正颌外科手术过程,并可预测手术后上下颌咬合状态及手术效果。结论是正颌外科三维立体可视化模拟手术系统的建立,为正颌外科截骨矫治牙颌面畸形术前手术方案制定提供实用有效的技术手段和全心的科学方法,改变仅凭主观经验诊断畸形和设计手术方案的传统模式,可在计算机屏幕前制定手术方案进行医患交流,共同协商,提高了正颌外科手术安全性、精确性和矫治效果。

    三、VR技术神经系手术方面的应用

    1.神经外科的应用

    南京医科大学附属脑科医院神经外科的陈永严等人术前采集10例颅内深部病变患者的CTMRICTAMRADSA影像资料输入Dextroscope工作站进行图像融合处理和三维霞建,在虚拟影像上观察病变与周围组织的空间关系,设计手术入路、模拟手术过程进行骨窗开颅、颅骨磨除及肿瘤切除,并与实际术中所见进行比较。结果术中所见病变与周边重要神经血管结构的空间关系和病变解剖细节与术前模拟完全吻合,减少了手术时间。通过手术模拟,术者得以提前预演手术经过,为优化治疗方案创造了条件。结论是虚拟现实手术规划系统有助于术前诊断、制定详细的手术计划、预先评价手术难度,提高手术安全性,是医疗教学和训练的得力工具。

     2. 神经网络的应用

    哈尔滨工业大学的张峰峰等人在人体腿部的虚拟仿真研究中,建立有限元模型并进行生物力学特性分析是一种有效的方法。但由于有限元模型数据量大,解算时间长,并且难以与既有系统融合,因此不适合在实时的手术培训和手术预演中应用。为了提高虚拟手术仿真系统进行实际作业的能力,他们提出了以BP神经网络模型来代替有限元模型,实现实时的生物力学响应。并结合已有的医疗机器人辅助接骨虚拟现实仿真手术系统,构建了系统实验平台。实验结果证明。人体腿部的BP神经网络模型能够完全满足手术仿真所需的实时性要求。

    四、VR技术在面部整形手术的应用

    栾杰等人应用螺旋CT扫描数据和图像处理技术重构患者面部三维立体模型,将其手术区域的面部三维曲面按患者期望的形态进行曲面编辑,模拟手术后效果并与术前进行比较。将比较结果进行数字化处理后得到植入体的数字模型,采用数控加工设备制备出植入体模具,按常规工艺生产出特制面部整形硅胶植入体。结论是利用本系统可对面部手术效果进行真实的三维模拟,植入体制备与数字设计结果精确统一,术中无需人为雕刻,临床效果与模拟效果一致。结论本系统为加强患者与术者的术前交流以及术前设计提供了有效和便利的手段,十分有利于术前精确确定植入体外形、大小以及位置,并制备出符合患者要求的植入体,从而达到最理想的手术效果。

    五、医学领域VR技术近3年的发展

    1. 三维超声成像系统

    上海理工大学的黄云开等人提出三维超声成像系统基于虚拟仪器将电机控制、超声激励、数据采集和存储功能以及实时二维成像集于一体构建了控制灵活、功能强大的三维超声实验平台。通过后期处理能够对三维数据进行重构与显示直观地反映了三维扫描系统的效果。对本系统进一步开发能够进行生物医学测量, B 超图边缘检测以及三维重构和图像处理算法的研究。此外本系统可以引入程序节点辅助LabVIEW 完成更强大、更快速的数据处理。由此可见基于虚拟仪器的超声三维扫描系统3D 超声的信号采集、重构与处理的研究提供了强大的实验环境。

     2.有限元模型

    东南大学的Zhang Qiukui等人提出有限元模型子以最少的扩散性干扰用来模拟引导线的畸变。主要目的是为医生提供尽可能多的机会来手术预演并在手术选择最优方案。在该模型中,血管结构由病人CT图像中的三角形网状动脉扩展的四面体网孔代表。该模型将能量降低过程的融合程度的方法应用于引导线畸变的预演。实验结果显示该模型简化了融合程度的评价并且提高了手术的有效率。相比过去单纯依靠详细计划的方案,该模型不受约束,稳定性很好并且更有效。该模型可应用于模拟实时血管中引导线的畸变。

    六、医学领域VR技术未来3-5年的预测

    虚拟现实技术是推进医学信息化的重要手段。构建虚拟现实系统的目的是为了开发虚拟现实应用,所以任何一个完整的虚拟现实系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台,一是硬件开发平台,即高性能图像生成及处理系统,通常为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站;另一部分为软件开发平台,即面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台。医学领域手术预演方面,VR技术主要是模拟逼真的视觉和触觉和信息的实时反馈,以提供给医生尽可能真实的临场手术感觉,以增加手术预演的精确性以便在多种手术方案中选择最优方案。


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