計算機圖形學(xué)應(yīng)用

1、計算機圖形學(xué)應(yīng)用虛擬手術(shù),虛擬手術(shù)簡介,虛擬手術(shù)是利用各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機中建立一個模擬環(huán)境，醫(yī)生借助虛擬環(huán)境中的信息進(jìn)行手術(shù)計劃、訓(xùn)練，以及實際手術(shù)過程中引導(dǎo)手術(shù)的新興學(xué)科,虛擬手術(shù)（Virtual Surgery-VS）作為正在發(fā)展起來的研究方向，是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機械學(xué)、材料學(xué)、計算機圖形學(xué)、計算機視覺、數(shù)學(xué)分析、機械力學(xué)、材料學(xué)、機器人等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域。其目的是：使用計算機技術(shù)（主要是計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實）來模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程，在時間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后，在實現(xiàn)的目的上有手術(shù)計劃制定，手術(shù)排練演習(xí)，手術(shù)教學(xué)，手術(shù)技能訓(xùn)練

2、，術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等,虛擬手術(shù)這個研究方向目前正在逐步形成之中，與之相關(guān)的一些研究方向主要有：醫(yī)學(xué)可視化，醫(yī)學(xué)增強現(xiàn)實，醫(yī)用機器人，手術(shù)模擬，圖象引導(dǎo)手術(shù)，計算機輔助手術(shù)等。使用虛擬手術(shù)充分體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實作為計算機圖形學(xué)在醫(yī)學(xué)治療過程中的作用，充分體現(xiàn)了人機交互和真實感。國外也有稱此方向為虛擬手術(shù)室或醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實,虛擬手術(shù)研究背景,虛擬手術(shù)系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用起源于醫(yī)務(wù)人員對復(fù)雜的三維醫(yī)學(xué)解剖體數(shù)據(jù)的可視化需求，進(jìn)而發(fā)展到能對重建的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時操作，以建立可供手術(shù)和手術(shù)前規(guī)劃使用的虛擬環(huán)境。在手術(shù)教學(xué)和仿真訓(xùn)練等方面，虛擬手術(shù)系統(tǒng)有著令人鼓舞的應(yīng)用前景,虛擬手術(shù)研究對象,虛擬手術(shù)現(xiàn)實系統(tǒng)在軟

3、件方面的研究對象主要包括:1、基于計算機圖形學(xué)的虛擬環(huán)境幾何建模和仿真;2、基于復(fù)雜對象物理特性的運動學(xué)和動力學(xué)建模及可視化仿真; 3、基于人類感官的傳感信息描述和仿真;4、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的科學(xué)可視化;5、人機交互界面的智能化及自然化,虛擬手術(shù)研究現(xiàn)狀,隨著技術(shù)的發(fā)展，最初的計算機輔助手術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到可以針對不同的外科手術(shù)進(jìn)行輔助計劃，由原來的導(dǎo)航、觀摩形式，發(fā)展成為具有可操作、可交互的虛擬仿真系統(tǒng)。日本及歐美國家一直在虛擬手術(shù)仿真領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。最近澳大利亞科學(xué)家也研制出一種“虛擬手術(shù)系統(tǒng)”,可以讓年輕的實習(xí)醫(yī)生們用虛擬的手術(shù)刀練習(xí)給一個虛擬人體動手術(shù),以提高醫(yī)術(shù)水平,醫(yī)生在使用它時,

4、感覺就像是真的在給病 人動手術(shù),手術(shù)器械切入肌肉組織、碰到骨頭等觸感都非常逼真。這種虛擬手術(shù)系統(tǒng)名叫“觸感手術(shù)臺”,它由一個3D成像系統(tǒng)和一個機械臂組成。系統(tǒng)使用詳細(xì)的解剖學(xué)及人體數(shù)據(jù)模擬出一個逼真的高解析度3D“虛擬人體”,醫(yī)生戴上3D眼鏡,坐在手術(shù)臺前,握住機械臂的一端,就可以對眼鏡中看到的虛擬人體進(jìn)行操作。根據(jù)不同需要,醫(yī)生可把機械臂在視野中調(diào)節(jié)為不同的工具形象,此外，還有一些研究機構(gòu)和商業(yè)公司也開發(fā)了許多輔助軟件產(chǎn)品，其中比較著名的有 MIT 的 David T. Gering 等開發(fā)的 3DSlicer以及比利時 Materialise 公司開發(fā)的系列軟件產(chǎn)品，它們將多種方式集中于一

5、個系統(tǒng)環(huán)境中，可以實現(xiàn)配準(zhǔn)，半自動的分割，表面模型生成，三維可視化和定量分析，并且可以實現(xiàn)術(shù)前的手術(shù)計劃和術(shù)間的手術(shù)導(dǎo)航，并在臨床中得到了成功應(yīng)用。 國內(nèi)在計算機輔助手術(shù)系統(tǒng)的研究主要集中在科研院校和研究所。研究方向大多集中在三維仿真、三維繪制以及軟組織模擬等,虛擬手術(shù)的主要用途,1、模擬手術(shù)方案 手術(shù)方案能夠利用圖像數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生合理、定量地制定手術(shù)方案，對于選擇最佳手術(shù)路徑、減小手術(shù)損傷、減少對臨近組織損害、提高腫瘤定位精度、執(zhí)行復(fù)雜外科手術(shù)和提高手術(shù)成功率等具有十分重要的意義,虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以預(yù)演手術(shù)的整個過程以便事先發(fā)現(xiàn)手術(shù)中問題。虛擬手術(shù)系統(tǒng)能夠使得醫(yī)生能夠依靠術(shù)前獲得的醫(yī)學(xué)影像信息

6、，建立三維模型，在計算機建立的虛擬的環(huán)境中設(shè)計手術(shù)過程，進(jìn)刀的部位，角度，提高手術(shù)的成功率,手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練80%的手術(shù)失誤是人為因素引起的，所以手術(shù)訓(xùn)練極其重要。醫(yī)生可在虛擬手術(shù)系統(tǒng)上觀察專家手術(shù)過程，也可重復(fù)實習(xí)。虛擬手術(shù)使得手術(shù)培訓(xùn)的時間大為縮短，同時減少了對昂貴的實驗對象的需求。由于虛擬手術(shù)系統(tǒng)可為操作者提供一個極具真實感和沉浸感的訓(xùn)練環(huán)境，力反饋繪制算法能夠制造很好的臨場感，所以訓(xùn)練過程與真實情況幾乎一致，尤其是能夠獲得在實際手術(shù)中的手感。計算機還能夠給出一次手術(shù)練習(xí)的評價。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)，不會發(fā)生嚴(yán)重的意外，能夠提高醫(yī)生的協(xié)作能力,術(shù)中導(dǎo)航與術(shù)中監(jiān)護(hù) 介入治療是在手術(shù)過程中進(jìn)行熒

7、光透視法、超聲、MR下，在圖象的引導(dǎo)下進(jìn)行定位。而虛擬手術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航無須在介入環(huán)境下，將計算機處理的三維模型與實際手術(shù)進(jìn)行定位匹配，使得醫(yī)生看到的圖象既有實際圖象，又疊加了圖形，屬于計算機增強現(xiàn)實。如手術(shù)使用了第二種成像手段，例如內(nèi)窺鏡，則將實時觀測的圖象與術(shù)前CT或MRI進(jìn)行匹配定位融合，對齊兩個坐標(biāo)系并顯示為圖形，引導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù),1.2 術(shù)中導(dǎo)航與術(shù)中監(jiān)護(hù),1.3 保護(hù)醫(yī)生 對于醫(yī)務(wù)人員來說,面臨較危險的操作,如在感染或放射情況下,采取精確復(fù)雜的虛擬手術(shù)干預(yù)將是十分必要的。采用虛擬臨場技術(shù)可以使醫(yī)生免受射線的侵害,1.4 降低手術(shù)費用,現(xiàn)代外科醫(yī)療檢測系統(tǒng)造價昂貴,醫(yī)療成本也很高。虛擬手術(shù)能夠減少手術(shù)探索的盲目性,減少機體損傷,縮短病人的恢復(fù)周期,降低病人和醫(yī)院的開支。虛擬手術(shù)不受手術(shù)設(shè)備的制約,1.5建造定制的修復(fù)擬合模型,虛擬手術(shù)能夠設(shè)計植入器官(對人工假體的設(shè)計)。例如計算機能夠幫助醫(yī)生在進(jìn)行髖骨更換手術(shù)前,可通過非破壞性的三維成像對其尺寸和形狀進(jìn)行精確測量,然后定制髖骨,這樣可以把因尺寸不合 格而重新開刀的比例從30%