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文檔簡(jiǎn)介

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用 虛擬手術(shù)虛擬手術(shù) 虛擬手術(shù)簡(jiǎn)介虛擬手術(shù)簡(jiǎn)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(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)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(jì)劃、訓(xùn)練,以及實(shí) 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(jī)械學(xué)、 材料學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)分析、 機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù) (主要是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí))來模擬、指 導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程,在時(shí)間段上包括 了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后,在實(shí)現(xiàn)

2、的目的上有手術(shù)計(jì) 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,術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等。 虛擬手術(shù)這個(gè)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(qiáng)現(xiàn)實(shí),醫(yī)用機(jī)器人,手術(shù)模擬,圖象引 導(dǎo)手術(shù),計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)等。使用虛擬手術(shù)充分 體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)作為計(jì)算機(jī)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(jī)交互和真實(shí)感。國外 也有稱此方向?yàn)樘摂M手術(shù)室或醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)。 虛擬手術(shù)研究背景虛擬手術(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(duì) 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(duì)重建的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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。

3、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(duì)象虛擬手術(shù)研究對(duì)象 虛擬手術(shù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在軟件方面的研究對(duì)象主要包 括:1、基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的虛擬環(huán)境幾何建模和 仿真;2、基于復(fù)雜對(duì)象物理特性的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(shí)技術(shù)的科學(xué)可視 化;5、人機(jī)交互界面的智能化及自然化。 虛擬手術(shù)研究現(xiàn)狀虛擬手術(shù)研究現(xiàn)狀 隨著技術(shù)的發(fā)展,最初的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)已 經(jīng)發(fā)展到可以針對(duì)不同的外科手術(shù)進(jìn)行輔助計(jì)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

4、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(shí)習(xí)醫(yī)生們用虛擬的手術(shù)刀練習(xí)給一個(gè)虛擬 人體動(dòng)手術(shù),以提高醫(yī)術(shù)水平。 醫(yī)生在使用它時(shí),感覺就像是真的在給病 人動(dòng)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(tái)”,它由 一個(gè)3D成像系統(tǒng)和一個(gè)機(jī)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(gè)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(tái)前, 握住機(jī)械臂的一端,就可以對(duì)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(jī)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(jī)構(gòu)和商業(yè)公司也開發(fā)了許

5、 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(shí) Materialise 公司開發(fā)的系列軟件產(chǎn)品,它們將多 種方式集中于一個(gè)系統(tǒng)環(huán)境中,可以實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn), 半自動(dòng)的分割,表面模型生成,三維可視化和定 量分析,并且可以實(shí)現(xiàn)術(shù)前的手術(shù)計(jì)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(jì)算機(jī)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(duì)于選擇最佳

6、手術(shù)路徑、減小手術(shù) 損傷、減少對(duì)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(gè)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,建立三維模型, 在計(jì)算機(jī)建立的虛擬 的環(huán)境中設(shè)計(jì)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(shí)習(xí)。虛擬手術(shù) 使得手術(shù)培訓(xùn)的時(shí)間大為縮短,同時(shí)減少了對(duì)昂 貴的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的需求。由于虛擬手術(shù)系統(tǒng)可為操 作者提供一個(gè)極具真

7、實(shí)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(chǎng)感,所以訓(xùn) 練過程與真實(shí)情況幾乎一致,尤其是能夠獲得在 實(shí)際手術(shù)中的手感。計(jì)算機(jī)還能夠給出一次手術(shù) 練習(xí)的評(píng)價(jià)。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù),不會(huì)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(jì)算機(jī)處理的三維模型與實(shí)際手術(shù)進(jìn)行定位匹配, 使得醫(yī)生看到的圖象既有實(shí)際圖象,又疊加了圖形, 屬于計(jì)算機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。如手術(shù)使用了第二種成像手 段,例如內(nèi)窺鏡,則將實(shí)時(shí)觀測(cè)的圖象與術(shù)前CT或 MRI進(jìn)行匹配定位融合,對(duì)齊兩

8、個(gè)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)術(shù)中導(dǎo)航與術(shù)中監(jiān)護(hù) 1.3 保護(hù)醫(yī)生保護(hù)醫(yī)生 對(duì)于醫(yī)務(wù)人員來說,面臨較危險(xiǎn)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(chǎng)技術(shù)可以使醫(yī)生免受 射線的侵害。 1.4 降低手術(shù)費(fèi)用降低手術(shù)費(fèi)用 現(xiàn)代外科醫(yī)療檢測(cè)系統(tǒng)造價(jià)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(jī)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)擬合模型建造定制的修復(fù)擬合模型 虛擬手術(shù)能夠設(shè)計(jì)植入器官(對(duì)人工假體的設(shè)計(jì))。 例如計(jì)算機(jī)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(duì)其尺寸和形狀進(jìn)行 精確測(cè)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%降

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