醫學虛擬現實技術研究

中國醫科大學計算機教研室 鄭琳琳 鄭 璐 李 靜

1.虛擬視覺環境顯示(Virtual Visual Environment Display-VIVED)

由美國宇航局約翰遜宇航中心(JSC)等部門，使用虛擬現實技術為人們提供了一個別出心裁的醫學教育策略。它集成了所有囊括人類顱骨和心臟的虛擬現實技術，為人們提供了與其他多媒體(音頻、視頻等)的交互能力[1]。

2.虛擬手術(Virtual Surgery)

作為醫學虛擬現實技術領域正在發展起來的一個研究方向，其目的是利用各種醫學影像數據，采用虛擬現實技術，在計算機中建立一個摸擬環境，醫生借助虛擬環境中信息進行手術計劃制定，手術演練，手術教學，手術技能訓練，術中引導手術，術后康復等工作，虛擬手術充分體現虛擬現實作為計算機圖形學在醫學治療過程的作用。

圖1 通過人體體驗虛擬現實所需的步驟

3.硬件

一臺由Silicon Graphics公司生產的Reality Engine計算機，被用來打開計算軸向體層攝影術(CAT/CT)和磁共振成像切片，放入三維容積圖像和可產生身體"飛行"觀察效果的電影中。在具有16M內存的Macintosh IICX計算機上觀看最終的3D圖像。之所以先擇Mac是因為它的性價比和音像都優于同類PC，另外它在北美各學校系統被廣泛使用，可以說它是桌面多媒體的領跑者，并且有各種各樣的軟件和硬件支持它。而VR電影可以存儲在硬盤上，或轉移到CD上，并通過紅藍眼鏡觀看。它也可以使用虛擬現實頭戴式顯示器(HMD)或雙目全方位顯示器(臂架系統)查看。最終圖像可以存儲在CD-ROM或激光視盤上。

4.軟件

4.1 文件轉換和數據準備

加爾維斯頓提供的厚度為1.5mm的人類頭骨CAT/CT切片和心臟的MRI的切片被用于創建3D圖像。在對頭骨的CT掃描過程中要經過一個泡沫帶，因此會有一些無用數據被生成。顱骨掃描的結果是生成一個數據集，其中有超過120片通過顱骨，60片通過下頜骨(下巴)，而心臟的MRI掃描可導出200片的數據集。將醫學分會創建的數據文件，送至IGOAL公司(集成顯卡，操作和分析實驗室)。在那里進行掃描和篩選，去除無關數據，且盡可能不丟失任何重要信息。IGOAL公司開發出一種名為“Ctimager”的工具，用于閾值計算，從而把切片中不需要的噪聲和無關數據去掉。

4.2 數據過濾和體數據轉換為多邊形數據

使用被IGOAL稱為“dispfly”的開發工具，在稍后可將轉換大量的數據直接由計算機顯示出來。此工具用于多個過濾算法準備CT和磁共振成像數據轉換為多邊形的窗體。解剖模型是基于移動的多維數據集算法生成的。濾波處理通常包括閾值化的數據，以消除大部分噪聲的。一個低通濾波器被用于最小化，將產生一個不規則的表面凹凸不平，當輸入到算法中的高頻噪聲。這個過程產生相對平滑的表面，其近似掃描樣品，并減少產生的噪聲的多邊形數量。一個獨特的過濾器對心臟數據僅平滑掃描之間的數據創建，是不需要其他的過濾[2]。由于心臟和顱骨有大量的數據集切片，幾種模式被建立，其中每一個代表一個少量切片。一個網格算法，“meshit”，后來發展到提高顯示性能。這種算法轉換成高效條狀的三角形的原始集合。平均超過100三角形組成每個三角形條帶。。

4.3 產生立體圖像

建成模型后，立體聲序列被渲染。IGOAL公司開發了一種名為OOM(面向對象操縱器)工具，用來把經過渲染的每一幀存儲到磁盤上，這些圖像用紅色和藍色的色彩分離為代表的立體圖像。一旦這些序列被記錄到磁盤上，數據的格式就被轉換成Macintosh.pict格式，全彩色圖像序列的按非立體觀看轉移到Mac上。

4.4 立體影像及多媒體

對Mac圖像進行編輯，以產生所希望的效果，如數字化的尸體覆蓋或插入文本描述什么正在被觀看。使用Apple的QuickTime擴展，圖像被轉換為QuickTime電影動畫在Mac上。

5.結論

CT掃描頭骨的醫療圖像，由Macintosh計算機通過處理頭盔顯示器或臂式系統的信息，最終生成高質量VR圖像。目前科學家正試圖用磁共振的成像數據生成了一個心臟VR模型。

初步結果顯示，可以使用這種類型的成像數據開發出高分辨率模型。而為了保持高質量VR成像目標，大量的數據是用幀序列來描述的，由此會產生一些問題。為了緩解這個問題，科學家們正在探討替代的硬件和軟件解決方案。

另一個問題是該技術針對HMD的顯示系統。為保持一個高品質的虛擬現實體驗，液晶顯示器對分辨率沒有要求。在CRT顯示器在多種教育平臺上都可以滿足分辨率的要求，但是成本過高。外科手術模擬可能成為例程，尤其是在制定綜復雜和罕見的手術方案時。

6.在VIVED的應用和研究現狀

當前的研究，強調創建一個高分辨率的人體虛擬現實模擬器用于教育目的的重要性。而應用這項技術必須充分理解其復雜的三維關系，如在下面的領域：解剖學教育，各類機械設備，生化，病理學研究，外科醫生，模擬整形外科和利用內窺鏡培訓外科醫生等。

7.其他應用程序

隨著醫學虛擬現實技術的發展，新的教育解決方案和策略如雨后春筍般不斷出臺。如北卡羅萊納大學教堂山分校利用超聲波，MRI和X射線創建的動態影像放射治療的“預測”模型。達特茅斯醫學院創造出人臉和下肢的數學模型，用于研究外科手術的效果評估。綠葉醫療系統在帕洛阿爾托開發出“EVAL”和“手套健談”系統，作為實現“評估和演示”系統。使用傳感器做襯里的數據手套和數據西裝獲取更大的使用范圍，對運動損傷和殘疾病人進行行之有效的損傷程度度量。“手套健談”是幫助病人康復的數據手套的手語裝置，讓人無需發聲(中風或腦性麻痹患者)，僅使用計算機能夠理解的手勢。而使用頭盔顯示器使得需要康復的病人可以重新學習，如開關門，行走，點或轉身的行為[3]。

8.結語

將CT掃描的頭骨醫學圖像在Macintosh電腦上使用一個頭盔顯示器或臂架系統便可生成高質量的VR圖像。目前科學家們正在開發根據磁共振成像數據生成心臟的VR模型。初步的研究結果表明，高分辨率模型可以使用這種方法的成像數據技術來實現。要想維持高質量虛擬現實的目標成像，必須適當調整“飛穿”的幀序列的數據量。而其它文明擬定的硬件和軟件解決方案也正是為了探索緩解這一問題。再有就是該技術是針對HMD的顯示系統技術。因為在各種醫學教育平臺中，LCD顯示屏不涉及維持高質量的虛擬現實問題，而要實現高分辨率CRT顯示器的成本又太高。

[1]"NASA TECHNOLOGY TRANSFER Commercial Applications of Aerospace Technology",National Aeronautics and Space Administration,Technology Applications.

[2]Porter,Stephen,"Virtual Reality",Computer Graphics World,(March,1992),42-54.

[3]Sprague,Laurie A.,Bell,Brad,Sullivan,Tim,and Voss,Mark,"Virtural Reality In Medical Education and Assessment",Technology 2003,December 1993.