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1三維系統(tǒng)

本世紀(jì)醫(yī)學(xué)上的重大成果之一就是計算機斷層攝像技術(shù)CT(ComputerizedTomograph),這一計算機在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用成果,使醫(yī)學(xué)射線學(xué)發(fā)生了革命性的變化。清晰的人體結(jié)構(gòu)圖像和詳盡的病理信息為臨床醫(yī)學(xué)的診療和醫(yī)學(xué)科學(xué)的研究提供了直觀可靠的手段。自從CT問世以來,計算機科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程相結(jié)合,形成了計算機醫(yī)學(xué)圖像研究的新領(lǐng)域,并為生命科學(xué)的研究提供了新的方法。由于該領(lǐng)域的研究直接造福于人類健康,極大的推動了醫(yī)學(xué)的發(fā)展,成為近年來世界科技界最活躍、最富有生機和成就的領(lǐng)域之一。三維醫(yī)學(xué)圖像的研究是根據(jù)從某種成像設(shè)備上采集的截片集合(astackofsectionalslices),經(jīng)計算機合成后而形成的三維體視圖像數(shù)據(jù),通過對該體數(shù)據(jù)的計算機可視化處理,可方便地顯示出人體組織內(nèi)在的物理屬性和空間關(guān)系。由于三維醫(yī)學(xué)圖像含有豐富的信息和逼真的視覺效果,可直接應(yīng)用于診斷放射學(xué)(diagnosticradiology)、矯形學(xué)(orthopaedics)、放射腫瘤學(xué)(radiationoncology)、心臟病學(xué)(cardiology)和外科上。對計算機輔助治療方案的制定,利用三維系統(tǒng)可以進行預(yù)演手術(shù),可以使治療安全可靠;利用三維系統(tǒng)進行腫瘤檢測,提供全方位方式觀察更細(xì)小的部位,提高早期病變的查出率。三維醫(yī)學(xué)可視化分析平臺是西北大學(xué)可視化研究所在微機上實現(xiàn)的一套軟件系統(tǒng),和已有的醫(yī)療器械相結(jié)合,可成為新型的智能醫(yī)療器械。其研制目的是根據(jù)CT機或核磁共振機所形成的影像數(shù)據(jù),利用目前計算機圖像處理、圖形學(xué)研究的新技術(shù)、新成就,在計算機上對醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進行各種處理,以達到一般成像設(shè)備所不能完成的許多功能,使其功能更強,信息更豐富,操作更方便。

2項目研制概況

本項目是自1995年11月開始研制的,目前已完成了微機上的“三維醫(yī)學(xué)可視化分析平臺”,包括CT機和MRI圖像數(shù)據(jù)分析瀏覽器、醫(yī)學(xué)圖像的器官分割(Seg-mentaion)、三維醫(yī)學(xué)圖像的建模和彩色分層繪制等子系統(tǒng)。所有功能模塊集成在3個應(yīng)用程序中:•CT機和MRI圖像數(shù)據(jù)分析瀏覽器IMAVIEW可直接對來自CT機或MRI的成像數(shù)據(jù)解碼、顯示、處理和分析。其功能包括預(yù)處理模塊,直方圖調(diào)整、卷積濾波、圖像修正、斷層插值等處理及生成正則數(shù)據(jù)場。•醫(yī)學(xué)圖像的器官分割可對醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進行按不同的屬性(灰度、色彩、紋理等)給出交互式手工分割或基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的半自動分割,以獲得體數(shù)據(jù)的不同層次結(jié)構(gòu)。圖像分割模塊包括圖像分割、設(shè)定屬性、數(shù)學(xué)形態(tài)的操作(腐蝕,膨脹)等處理。•三維醫(yī)學(xué)圖像的建模和彩色分層繪制該技術(shù)可實現(xiàn)對二維和三維圖形的繪制、軸切面顯示、三維空間切面顯示。體繪制模塊包括XYZ剖面瀏覽、任意角度剖面瀏覽、比例調(diào)整、包圍盒、靜態(tài)Rendering、視點運動、動態(tài)Rendering,實現(xiàn)了著色、光照、明暗處理、隱面消除等高級圖像處理功能。系統(tǒng)設(shè)計采用面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計方法,用Vi-sualC++5.0,充分利用了MFC多文檔多視結(jié)構(gòu)。所有數(shù)據(jù)及其操作用類進行有效封裝。在交互式界面方面,采用復(fù)雜的單文檔多視結(jié)構(gòu),圖形三維空間定位采用OpenGL技術(shù),顯示清晰直觀。這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來自于第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院的工作實體采集。本系統(tǒng)為醫(yī)院的教學(xué)作為不用開刀的實例解剖系統(tǒng),也在臨床的手術(shù)上成為與國外進口軟件可相比較的一個輔助系統(tǒng)。

3系統(tǒng)特點

比較國際國內(nèi)所進行的研制工作,該項目具有如下特點:(1)醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)可視化交互式處理的集成環(huán)境,在統(tǒng)一的界面下完成對體數(shù)據(jù)的各項處理和各種操作。(2)多分層色彩的三維動態(tài)效果和透視效果。(3)對截片圖像數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)。(4)三維數(shù)據(jù)體上的任意角度視窗變化觀察。(5)醫(yī)學(xué)對象的真實化顯示方法。(6)數(shù)據(jù)輸出的標(biāo)準(zhǔn)化,其系統(tǒng)輸出結(jié)果對Open-GL/3DS等流行的圖形系統(tǒng)兼容。(7)良好的性能價格比。國外的可視化軟件一般都在高檔圖形工作站上開發(fā),本系統(tǒng)是基于微機系統(tǒng)的三維可視化軟件,在系統(tǒng)的設(shè)計中,充分利用了微機硬軟件的各方面結(jié)合而形成較快的運算速度、逼真的顯示圖像,而系統(tǒng)價格僅是國外工作站系統(tǒng)的1/10。

4系統(tǒng)應(yīng)用分析

做為計算機圖像處理在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的成功范例,CT為放射醫(yī)學(xué)帶來了革命性的變化。然而,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,CT機的技術(shù)也有一個發(fā)展和更新問題。我國CT機技術(shù)主要依賴進口,但目前是低水平的重復(fù)進口,導(dǎo)致CT機功能落后。

總體上講,國際上CT技術(shù)要落后于計算機圖形技術(shù)一步,而我們進口技術(shù)又落后國際先進技術(shù)一步。目前CT的更新?lián)Q代,重要的部分是計算機圖形技術(shù)的改進。直接應(yīng)用計算機圖形技術(shù)的最新成果,提高CT的功能,是對舊CT的更新?lián)Q代、擴大新CT的功能、趕超國際先進水平的捷徑。當(dāng)前,國際新型成像設(shè)備切片間距可達到1mm,這也為三維成像提供了可行的物質(zhì)基礎(chǔ)。此項研究的成果,作為醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)庫,可直接應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的終端機,本系統(tǒng)可直接應(yīng)用于門診、病房、甚至家庭,通過一般的微機而直接觀看到比常規(guī)CT更豐富的三維醫(yī)學(xué)圖像,并且,這些圖像是做完CT后即可看到,一個傳送命令即可調(diào)出查閱。此項研究成果也可用于醫(yī)學(xué)研究工作,清晰的人體解剖結(jié)構(gòu)和詳盡的病理信息為醫(yī)學(xué)研究者提供了直觀可靠的可視化工具。醫(yī)學(xué)研究工作者通過該系統(tǒng)可完成比較研究和醫(yī)學(xué)病例的查詢和學(xué)習(xí)。這種可視化工具可廣泛地應(yīng)用于診斷醫(yī)學(xué)、整形與假肢外科中的手術(shù)規(guī)劃等分支。其核心技術(shù)是將過去看不見的人體器官以二維圖像的方式顯示出來或重建它們的三維模型。在診斷醫(yī)學(xué)的臨床和研究中,CT圖像、核磁共振圖像和超聲圖像的廣泛應(yīng)用是診斷的有利工具。應(yīng)用先進的可視化技術(shù)對這些圖像進行處理、構(gòu)造三維實體模型以及對其進行剖切顯示有助于理解復(fù)雜解剖特征的空間定位和隨時間所發(fā)生的變化。計算機在診斷醫(yī)學(xué)中所發(fā)揮的作用越來越大,因為多重圖像和多模圖像信息的處理與綜合離不開計算機和可視化技術(shù)。整形外科中,應(yīng)用可視化技術(shù)完成假肢造型設(shè)計。例如,在做髖骨更換手術(shù)以前,需要根據(jù)病人的個體特征正確的設(shè)計所需髖骨假肢的外形才能減少因假肢形狀差異造成的手術(shù)失敗的概率。利用可視化技術(shù),首先根據(jù)CT和MRI的圖像重構(gòu)假肢精確的三維模型,交工廠生產(chǎn)后再進行手術(shù)替換。在χ刀和γ刀的輻射治療中,需要預(yù)先做出仔細(xì)的規(guī)劃,包括劑量的計算和照射點精確定位。利用可視化技術(shù),根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像重建病人病灶區(qū)的解剖結(jié)構(gòu),做出精確定位和劑量的計算已成為實際可行。醫(yī)學(xué)圖像成像設(shè)備已是醫(yī)院的必備設(shè)備(包括CT、核磁共振機,X光機、B超等)。

從醫(yī)學(xué)成像、圖像處理到高級醫(yī)學(xué)圖像處理,是一個從低級到高級的發(fā)展過程,更新?lián)Q代在所難免。三維交互式醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)是對現(xiàn)有CT、核磁共振機功能的擴充,又為進一步的生命科學(xué)研究提供了軟件開發(fā)平臺。其應(yīng)用方向有:•醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)庫做為現(xiàn)有CT機的功能擴充,在線實現(xiàn)三維觀察,及時的圖像數(shù)據(jù)庫查詢。可用于一般醫(yī)院CT室或門診直接使用。•手術(shù)計劃系統(tǒng)作為放射醫(yī)學(xué)的輔助治療系統(tǒng),可實現(xiàn)對χ刀、γ刀的手術(shù)定位和手術(shù)計劃系統(tǒng)。•醫(yī)學(xué)CAI(計算機輔助教學(xué)系統(tǒng))對生命科學(xué)的教學(xué)研究,可作為解剖實習(xí)演示系統(tǒng),為現(xiàn)有醫(yī)學(xué)、生物學(xué)研究提供虛擬解剖的工具。•醫(yī)學(xué)會議系統(tǒng)與現(xiàn)有CT機聯(lián)網(wǎng)后構(gòu)成醫(yī)院的圖形數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),并可進一步加入Internet網(wǎng),形成遠程會診系統(tǒng)或國際會診系統(tǒng)。三維醫(yī)學(xué)計算機可視化系統(tǒng)的研究工作是一個領(lǐng)域而不僅是一個研究課題。以此為起步,可望展開今后在這一領(lǐng)域的研究工作,并與國際研究同步,取得一系列生命科學(xué)領(lǐng)域和計算機圖形學(xué)領(lǐng)域的新成就。