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利用“中国虚拟人”的三维重建构建外科三维诊疗平台

刘道明  
【摘要】: “中国数字化虚拟人(Virtual Chinese Human,VCH)”是综合运用现代技术,特别是计算机图形图像技术,与临床解剖学相结合,对人体信息的数字化进行科学探索,为医学以及多学科的研究与应用提供基础的重大项目。在“数字化虚拟人体若干关键技术”这项国家“863”项目中,本研究所承担了VCH的切片模型建造工作。结合个人的专业方向,作者参与了VCH的数据采集工作,并利用中国数字化虚拟人男1号(VCH-M1)的部分数据集,探索了对数据集进行图像处理和分割、三维重构的方法,并对所构建的三维模型在医学领域的应用模式进行了一些尝试性的工作。 在对中国虚拟人女1号(VCH-F1)0.2mm等间距断面切削建模的基础上,我们对数字建模工艺的一些步骤进行了改进,获取了VCH-M1的0.2mm等间距断面数据集,包括冰冻切片图像9232张,数据量为161.56GB;影像数据包括全身断层CT 1720张,层厚1mm;MRI 780张,扫描间距2mm。通过低温盐水冷冻定型和预制冰渣填充分段包埋的方法解决了VCH-F1标本包埋过程中胸、腹部等部位挤压变形的问题;改进石炭酸+亚硝酸灌注液配方提高了对标本的固定、色泽保持等作用;在冰冻切片数据采集过程采用实时图像标记等。这些改进取得了良好的建模效果,获取的图像质量进一步提高,为后期计算机处理提供了便利条件和奠定了较好的基础。 以VCH—M1数据集中包括颈部和胸部切片范围的1426张切片作为重建的数据来源,利用二维图像处理软件Photoshop,和三维重建专业软件Amira,采用从单器官到区域结构(如肺部结构、颈部)再到整个胸部的重建路线,初步建立了一套胸部器官三维模型库。包括甲状 解全学夕居戈J 软骨、环状软骨、构状软骨、气管、食管、大动脉和大静脉的主要分 支及属支、胸骨柄、锁骨、肺和支气管及心脏等主要胸部和颈部结构, 该模型库包括两种水平分辨率的器官轮廓,以及胸部各主要脏器的表 面模型、胸部的整体模型,可以多种方式进行展示。通过CT数据与切 片数据的融合,又增加了全身的皮肤和骨骼模型,建立了胸部模型与 全身模型的联系。在重建过程中,对处理大容量数据和重建策略等三 维模型的构建方法进行了探讨,获得了一些体会;所重建出的三维模 型库具有良好的展示特性及测量特性,具有可观的应用前景。 以所构建的三维模型库为素材,采用动画软件Maya4.5为工具, 对构建外科三维诊疗平台进行了尝试。采用Maya中的各种工具,在三 维模型中实现了各种模拟操作:如切开、缝合、结扎、各种吻合、器 官形变和肿瘤的显示,以及利用骨骼化模型模拟手术体位的调整等等。 本部分的研究,成功构建了一个以VCH为基础的三维诊疗平台的雏形, 对多种手术操作和病理解剖特征可以进行非常形象的模拟和展示,为 VCH在临床医学领域的应用模式进行了有益的探索。 在论文的最后一部分,我们回顾了作为VCH预实验一部分的心脏 标本数据采集和三维重建工作。以30%浓度的明胶溶液灌注心脏,分 两步进行包埋,以保证心脏处于解剖位。采用VCH专用机床进行切削 和数据采集。在Photosh叩中对数据进行压缩、定位、色彩模式转换等 二维处理后利用Alllira成功地重建了该心脏的三维模型,与原始实物 在解剖形态上高度吻合。该预实验表明我们在标本处理、切削、数据 采集各个环节都达到了VCH的技术要求。


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