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  视科创新虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案

    来源:视科创新(北京公司)
    整理:工程部 李子

    现代科学技术的发展越来越体现多门学科的交叉和渗透。虚拟手术(Virtual Surgery-VS)作为正在发展起来的研究方向,是集医学、生物力学、机械学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机械力学、材料学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。其目的是:使用计算机技术(主要是计算机图形学与虚拟现实)来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程,在时间段上包括了术前、术中、术后,在实现的目的上有手术计划制定,手术排练演习,手术教学,手术技能训练,术中引导手术、术后康复等。

视科创新虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案

    视科创新虚拟手术系统是3D技术、模糊智能判别、基于面向对象的多层结构、非线性编辑技术、三维重建技术与虚拟现实技术等多项技术的综合,最终将提供120个不同难度的手术,包括普外、神经、心胸、外科、妇产科等各类手术。

    虚拟手术这个研究方向目前正在逐步形成之中,与之相关的一些研究方向主要有:医学可视化(Medical Visualization),医学增强现实(Medical augmented Reality),医用机器人,手术模拟(Surgery Simulation),图象引导手术(Image Guided Surgery),计算机辅助手术(Computer Aided Surgery,Computer Assisted Surgery)等。我们认为使用虚拟手术(Virtual Surgery)这个名词更加能够充分体现虚拟现实(Virtual Reality)作为计算机图形学在医学治疗过程中的作用,充分体现了人机交互和真实感。国外也有称此方向为虚拟手术室(Virtual Operating Room)或医学虚拟现实(Medical Virtual Reality)。

视科创新虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案

    虚拟手术是利用各种医学影像数据,利用虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境,医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练,以及实际手术过程中引导手术的新兴学科。

    高分辨数字虚拟人体三维可视化结构

    数字虚拟人研究中的数据处理是海量的, 其平均数据处理任务量达到百GB 级, 总的数据量更是达到了TB 级(Tera Byte, Tera 为1012), 与传统的图像处理、三维建模和可视化工作相比, 需要更加高效的数据处理方法和更加强大的硬件支持. 本研究的海量计算任务都基于浪潮天梭10000 高性能计算集群实现, 该设备具有17 个计算节点, 每个节点配备2 个IntelXeon 2.4 GHz CPU, 各节点采用InfiniBand 高速交换技术互联, 总的计算能力达到了1000 亿次。

虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案

    组织器官的分割和标识

    器官和组织的分割标识是构建三维结构数据集的基础, 它将数字人彩色断层图像与解剖学知识相结合, 把图像中具有特殊含义的不同区域分割开来。提高人体切片数据图像分割的精度和速度是目前公认的瓶颈, 也是世界上数字人研究的热点。 图像分割一般有自动分割与基于图像处理软件的交互分割。自动分割对分割对象的要求较高, 特别适用于高对比度的目标物, 如CT 图片中的骨骼、绿色荧光蛋白标记的细胞等, 在CDH M2 数据集中, 自动分割对象有软骨、人体外轮廓、红骨髓、血管、器官内轮廓等. 本研究使用ITK (insight toolkit, 图像分割配准工具包)的阈值处理、区域增长等工具包对红骨髓、器官内轮廓等进行了分割. 在实际使用中证明, 人机交互可以有效提高自动分割的效果, 因ITK 不具备可视化和GUI (graphical user interface, 图形用户界面), 这里结合使用VTK (visualization toolkit, 可视化工具包)和FLTK (the fast light toolkit, GUI 工具包)对其进行扩展编程。

视科创新虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案

    海量数据的三维建模

    三维重建是最常用的建模方法, 它将二维信息拓展到三维空间中, 使信息更加直观和生动. 高分辨二维图像集是超过GB 的数据, 构建同分辨率的三维结构数据只能采用并行图像三维重建完成. 并行三维重建使用MPI (message passing interface)并行库和VTK 工具包。海量数据的处理是三维建模中的主要困难. 对于全身性质的完整结构(如皮肤), 重建过程需要一次性地消耗百GB 级的内存空间, 普通计算机只有通过空间采样和分段重建等手段才能勉强达到要求。 对于椎骨、眼球等局部的小器官, 因其有效数据量较少,可以在高性能图形工作站上进行重建. 经分析, 内存消耗主要与三维体素空间的尺寸大小相关, 通过数据并行, 即将大空间分割为若干小空间, 能够有效降低单个计算单元的内存消耗(图 3(c)). 本文采用的基于集群计算机的并行三维重建能够保证高分辨率,具备对所有整体结构、细微器官和组织的数据进行高速、完整的重建的能力。

视科创新虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案


    虚拟手术手术力学分析

    人的一切活动都是由大脑来控制的,医生做手术当然也不例外。医生在做手术时,假设他采用的是琴弓式方式抓持手术刀,那么手指关节将首先感觉到手术刀传来的力,然后手指将这一信息传递给大脑;与此同时,人的眼睛将其感知到的手术刀的位姿信息也传入大脑。大脑将这两方面信息经过判断和融合,然后发送命令进一步控制手臂和手腕动作。

视科创新虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案

    三维跟踪的实现

    在虚拟外科手术系统中,为了实现与虚拟人体组织或器官的人机交互,必须能够实时地将虚拟手术器械的空间位置和姿态信息传送给生成虚拟视景的计算机,以便进行计算。要完成这一任务,就要借助于高精度的三维跟踪设备。基于手术刀的虚拟外科手术系统采用的是美国POLHEMUS公司的FAS2TRAK三维跟踪系统。该系统具有体积小、精度高,可以同时给出被跟踪的物体的位置和姿态信息的特点,因此非常适合于虚拟手术器械的位置和姿态跟踪。其位置精度可达0. 8mm,姿态精度可达0. 15°,检测速率120 Hz,跟踪范围2m,完全可以满足虚拟手术当中的要求。图3中13处即为FASTRAK三维跟踪器的安装位置

视科创新虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案

    碰撞检测的实现

    虚拟场景中两个或两个以上物体的碰撞检测是虚拟现实系统中经常遇到的一类问题。目前,碰撞检测中最常用的方法是使用层次包围盒 ,其基本思想是用体积略大而几何形状简单的物体(包围盒)来近似描述复杂的几何物体,进而通过构造树状层次结构来逐步逼近对象的几何模型,这样在进行相交测试时只需对包围盒重叠部分进行计算即可。常用的包围盒有AABB (Axis Aligned Bounding Box)包围盒、球包围盒、OBB (Oriented Bounding Box)包围盒三种。AABB包围盒与被包围对象的紧密性较差,但算法简单,利于缩短计算时间; OBB包围盒与被包围对象的紧密性较好,但算法相对复杂,计算时间稍长;球包围盒介于两者之间。本文在对这三种包围盒在使用中的优缺点进行分析之后,确定采用AABB、OBB相结合的形式来完成碰撞检测,即首先利用AABB进行粗略检测,如果不相交,则检测结束,如果相交,则再利用OBB 进行精确检测以最终断定是否相交,这样即兼顾了碰撞检测的实时性又不至降低检测精度。

视科创新虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案

   虚拟手术的主要用途有
 
    ◆ 手术方案能够利用图像数据,帮助医生合理、定量地制定手术方案,对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、提高肿瘤定位精度、执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。虚拟手术系统可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中问题[1]。虚拟手术系统能够使得医生能够依靠术前获得的医学影像信息,建立三维模型,在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程,进刀的部位,角度,提高手术的成功率。

视科创新虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案

    ◆ 手术教学训练80%的手术失误是人为因素引起的,所以手术训练极其重要。医生可在虚拟手术系统上观察专家手术过程,也可重复实习。虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短,同时减少了对昂贵的实验对象的需求。由于虚拟手术系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境,力反馈绘制算法能够制造很好的临场感,所以训练过程与真实情况几乎一致,尤其是能够获得在实际手术中的手感。计算机还能够给出一次手术练习的评价。在虚拟环境中进行手术,不会发生严重的意外,能够提高医生的协作能力。

视科创新虚拟医疗手术模拟跟踪分析解决方案
 
    ◆ 术中导航与术中监护 介入治疗是在手术过程中进行荧光透视法、超声、MR下,在图象的引导下进行定位。而虚拟手术的手术导航无须在介入环境下,将计算机处理的三维模型与实际手术进行定位匹配,使得医生看到的图象既有实际图象,又叠加了图形,属于计算机增强现实。如手术使用了第二种成像手段,例如内窥镜,则将实时观测的图象与术前CT或MRI进行匹配定位融合,对齐两个坐标系并显示为图形,引导医生进行手术。

    视科创新和北京解放军总医院虚拟仿真实验室合作,开发了虚拟心脏血管手术模拟系统。通过对心脏、心血管、心房内部、心肺结构等的模拟,实现手术计划的制定,手术排练演习,手术教学,手术技能训练,术中引导手术、术后康复等主要功能

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