医学三维成像临床应用系统-2013-4-18.docxVIP

医学三维成像临床应用系统设计方案设计者：郑千医学三维成像临床应用系统设计者：郑千前言计算机信息技术的快速发展已经对医学领域产生了重大的影响。计算机辅助外科技术 作为数字医学的一个分支已经渗透到发达国家和国内一线城市医疗领域，目前国内医学和计 算机权威机构已经对计算机辅助外科技术进行更深入研究，例如：北京积水潭医院、珠江医 院、中科院、中国工程院等等。计算机辅助外科在国内一线城市各大医院已经成熟，目前正 在其它城市普及。计算机辅助外科介绍计算机辅助外科简称CAS(computerassistedsurgery),它在概念上属于数字医学， 在现实当中属于临床应用。计算机辅助外科涉及医学成像、影像分析、机器人、传感器、运 动分析、虚拟现实，遥控操作以及外科学等学科。计算机辅助外科技术利用CT、核磁共振、 B超等多模图像数据建立二维或三维的仿真环境，完成手术评估、手术规划、手术方针的制 定和手术模拟演练，使得术前和病人沟通更深入、手术更精确、安全和微创、提高手术质量、 大大缩减手术时间、减轻患者痛苦、降低医疗成本。例如：珠江医院使用CAS做肝癌肿瘤手 术：在术前，病人可以通过主治医师为自己制作的数字三维模型，深刻理解医生的手术意图， 对医生更加信任，术前心理状态保持良好，医师们在术前的讨论当中，使用数字三维模型进 行深入的模拟演练、规划，提高自信，并且在手术进行当中使用三维模型进行导航，成功率 得到提高的同时，可以使得一个复杂的肿瘤切除手术时间缩短到2到3个小时并且几乎不用 为病人输血。由此可知：计算机辅助外科技术的灵魂就是医学影像的三维建模。医学影像三维建模介绍外科临床诊断及手术设计从最初的手摸到X线平片，到CT、MRI断层平扫，再到现在的 三维重建，影像学的每一次改革都极大地推动了临床诊断与治疗的进步。图像对于医学的意 义不言而喻，一个外科医师，在诊治的全过程要对病灶局部解剖毗邻的空间关系尽可能多地 了解，以达到精确地诊断、手术和术后评估，传统的二维影像，需要术者在大脑中重构三维 关系，手术的成功率、精确度、时间、医疗成本等等根本不能满足当今医疗的需求。下图为一张肾脏的断层图片：当我们的外科医生在术前、术中、术后使用三维模型时，必然会促进外科的发展！下面是根据上面的断层数据集进行感兴趣区域分割建立的数字三维模型：当然，这只是建模，同时我们可以针对模型进行各种专业的测量，例如：距离、角度， 半径，中心线。我们也可以模拟手术，例如切割分离，配准，植入假体等等：三维数字建模使用的数据源就是病人使用医院的影像设备扫描采集到的断层图像，断层 图像已经真实地反映了病人的某些部位的真实情况，所以这种三维数字建模在本质上就是虚拟和现实的互相转化。当然三维建模的的不止于此，我们可以把三维建模和快速成型技术相 结合，把存放在电脑当中看得见摸不着的三维模型做成看得见摸得着的实体。快速成型技术介绍快速成型技术简称RP(rapid prototyping)，俗称3D打印技术，它是根据我们在计算 机里面做好的三维数字模型，使用相应的材料(例如：树脂、塑料等)经过逐层堆积做出来真 实的物理模型。医疗和快速成型的结合，可以将解剖毗邻复杂的病变部位变成实物模型，医 生拿在手中，可以反复进行手术模拟与修正。国内最近快速成型技术的兴起必定会改变目前 医疗领域的格局。下图为3D打印机打印出来模型，素材就是病人扫描的断层图像。OccipitalLobeSeptumPellucidumCorpusCallosumGreyMatter(grey}White Matter (blue)CerebellumPonsTemporalLobeFrontalLobe医学三维建模详解目前国内的一些医院虽然有所谓的三维建模系统但是精确度太低，只适合宏观查看，不 适合进行精确的测量、手术模拟，更不能进行3D打印。因为现在的医院里使用的三维建模 系统是基于体渲染技术进行三维建模的。三维建模有两种方式：1、体渲染(volumerendering)，体渲染是影像科三维重建的最常用方法，也是临床医生非 常熟悉的三维重建方法，我们使用体渲染系统通过调整三维模型的透明度可以方便地查 看病人某个部位的三维结构信息，但是精准度不够：以下是体渲染系统建立的三维模型：体渲染最大的好处就是操作简单，看一下某个器官的大体位置，虽然也有测量工具，但是精度不够，并且由于断层扫描设备产生的图像噪声，模型显示过于粗糙，从上图可以看到， 我们医师关心的是下颌骨，但是CT扫描的时候把上颌骨也扫描进去了一点，现在我想把上 颌骨剃掉，并且想给感兴趣的部位例如下颌骨的假牙上色，然后进行手术导航或者3D打印， 很显然，这个要求如果使用体渲染技术是不能满足的。2、基于表面的建模(surface-basedrendering).基于表面的