医学三维成像临床应用系统-2013年4月18日

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1、第 1 页医学三维成像临床应用系统设计方案设计者： 郑千第 2 页医学三维成像临床应用系统设计者：郑千前言计算机信息技术的快速发展已经对医学领域产生了重大的影响。计算机辅助外科技术 作为数字医学的一个分支已经渗透到发达国家和国内一线城市医疗领域， 目前国内医学和计 算机权威机构已经对计算机辅助外科技术进行更深入研究，例如：北京积水潭医院、珠江医 院、中科院、中国工程院等等。计算机辅助外科在国内一线城市各大医院已经成熟，目前正 在其它城市普及。计算机辅助外科介绍计算机辅助外科简称 CAS(computer assisted surgery),它在概念上属于数字医学， 在现实当中属于临床应用。计算

2、机辅助外科涉及医学成像、影像分析、机器人、传感器、运 动分析、 虚拟现实， 遥控操作以及外科学等学科。 计算机辅助外科技术利用 CT 、 核磁共振、 B 超等多模图像数据建立二维或三维的仿真环境，完成手术评估、手术规划、手术方针的制 定和手术模拟演练， 使得术前和病人沟通更深入、 手术更精确、 安全和微创、 提高手术质量、 大大缩减手术时间、减轻患者痛苦、降低医疗成本。例如：珠江医院使用 CAS 做肝癌肿瘤手 术： 在术前， 病人可以通过主治医师为自己制作的数字三维模型， 深刻理解医生的手术意图， 对医生更加信任，术前心理状态保持良好，医师们在术前的讨论当中，使用数字三维模型进 行深入的模拟演

3、练、规划，提高自信，并且在手术进行当中使用三维模型进行导航，成功率 得到提高的同时， 可以使得一个复杂的肿瘤切除手术时间缩短到 2 到 3 个小时并且几乎不用 为病人输血。由此可知：计算机辅助外科技术的灵魂就是医学影像的三维建模。医学影像三维建模介绍外科临床诊断及手术设计从最初的手摸到 X 线平片，到 CT、MRI 断层平扫，再到现在的 三维重建， 影像学的每一次改革都极大地推动了临床诊断与治疗的进步。 图像对于医学的意 义不言而喻， 一个外科医师， 在诊治的全过程要对病灶局部解剖毗邻的空间关系尽可能多地 了解，以达到精确地诊断、手术和术后评估，传统的二维影像，需要术者在大脑中重构三维 关系，

4、手术的成功率、精确度、时间、医疗成本等等根本不能满足当今医疗的需求。下图为 一张肾脏的断层图片：第 3 页当我们的外科医生在术前、术中、术后使用三维模型时，必然会促进外科的发展！下面 是根据上面的断层数据集进行感兴趣区域分割建立的数字三维模型：当然，这只是建模，同时我们可以针对模型进行各种专业的测量，例如：距离、角度， 半径，中心线。第 4 页我们也可以模拟手术，例如切割分离，配准，植入假体等等：第 5 页三维数字建模使用的数据源就是病人使用医院的影像设备扫描采集到的断层图像， 断层 图像已经真实地反映了病人的某些部位的真实情况， 所以这种三维数字建模在本质上就是虚 拟和现实的互相转化。 当然

5、三维建模的的不止于此， 我们可以把三维建模和快速成型技术相 结合，把存放在电脑当中看得见摸不着的三维模型做成看得见摸得着的实体。快速成型技术介绍快速成型技术简称 RP(rapid prototyping)，俗称 3D 打印技术，它是根据我们在计算 机里面做好的三维数字模型，使用相应的材料(例如：树脂、塑料等)经过逐层堆积做出来真 实的物理模型。医疗和快速成型的结合，可以将解剖毗邻复杂的病变部位变成实物模型，医 生拿在手中， 可以反复进行手术模拟与修正。 国内最近快速成型技术的兴起必定会改变目前 医疗领域的格局。下图为 3D 打印机打印出来模型，素材就是病人扫描的断层图像。Occipital L

6、obeSeptum PellucidumCorpus CallosumGrey Matter (greyWhite Matter (blue)CerebellumPonsTemporalLobeFrontal Lobe第 7 页医学三维建模详解目前国内的一些医院虽然有所谓的三维建模系统但是精确度太低， 只适合宏观查看， 不 适合进行精确的测量、手术模拟，更不能进行 3D 打印。因为现在的医院里使用的三维建模 系统是基于体渲染技术进行三维建模的。三维建模有两种方式：1、 体渲染(volume rendering)，体渲染是影像科三维重建的最常用方法，也是临床医生非 常熟悉的三维重建方法，我们使用

7、体渲染系统通过调整三维模型的透明度可以方便地查 看病人某个部位的三维结构信息， 但是精准度不够： 以下是体渲染系统建立的三维模型：第 8 页体渲染最大的好处就是操作简单，看一下某个器官的大体位置，虽然也有测量工具，但 是精度不够， 并且由于断层扫描设备产生的图像噪声， 模型显示过于粗糙， 从上图可以看到， 我们医师关心的是下颌骨，但是 CT 扫描的时候把上颌骨也扫描进去了一点，现在我想把上 颌骨剃掉， 并且想给感兴趣的部位例如下颌骨的假牙上色， 然后进行手术导航或者 3D 打印， 很显然，这个要求如果使用体渲染技术是不能满足的。2、 基于表面的建模(surface-based renderin

8、g).基于表面的渲染简单来说是根据图像的灰度值， 创建相应的阀值， 然后使用三角片构建 一个三维模型，过程类似于美术画画:要画一个物体，先在纸上画一堆几何体，构建出物体 的大致轮廓，然后根据轮廓画出物体表面，这样画出来的作品才真实，如果事先没有描绘出 物体的几何轮廓， 那么画出来的作品就属于抽象派。 所以基于表面的渲染方式最大的优点就 是真实、精确，并且和画画一样，我们可以在构建的物体轮廓上面进行任意的修改。以下是 基于表面的建模：第 9 页基于表面的建模才能做精确测量、手术导航甚至 3D 打印等等，但是基于表面的三维建 模需要医生学习一下操作，操作方法其实很简单，看一下本人推荐的教材，加上平

9、时练习， 很快就能掌握。 假如有一个系统既能体渲染建模，又能基于表面建模，还能精确测量、手 术导航，同时 可以 3D 打印，那么就可以完全满足临床应用的需求，应用价值巨大。从医学的角度来看， 微创、精准、高成功率、个性化手术方案定制等可以成为现实；从商业角度来看，可以建立 一个在医学领域可持续发展的生态系统平台。在中国，和医院合作的绝大多数单位，只是简 简单单向医院卖设备，大型设备没有研发能力，因为他们并不关心医院的实际需求，并没有 站在医院实际应用角度深入考虑问题，所以一旦市场完全饱和，这些公司只能拼关系、拼价 格，否则就是死路一条。因此，本人站在医学和商业两个角度互相换位思考，设计开发出医

10、 学三维成像临床应用系统， 做产品的同时提供医疗工程服务， 满足医院实际应用需求的同时 和医院建立长期的双赢合作关系。下面是该系统介绍。医学三维成像临床应用系统各版本及功能介绍因为影像科的 CT、核磁、超声扫描设备扫描的断层图像本质上都是以 DICOM 文件格式 存储，所以本系统主要针对的就是 DICOM 影像文件，从通用的角度来看，本系统适用于所有 断层图像扫描设备。本系统是从医学实际应用的角度出发，凭着服务于大众、降低手术风险 的理念， 经过漫长的过程设计开发出来的。 我们的目标就是降低患者手术风险的同时大大地 增加医院的知名度，站在医院的角度达到名利双收的目的；站在患者的角度，对自身的病

11、情 深入理解同时提高对医院信任和信任、 增强医生和病人之间的互动， 实现了病人在身心方面 完全依赖医院的目标。 本系统目前从低到高有三个版本： 基础版、 专业定制版和白金定制版， 医院可以根据自己的经济条件和实际需求选择其中之一。基础版(编号：TECH3D00FD)1、 系统组成基础版包含常用的三维建模功能，可以满足医院的一般临床和手术应用。基 础版分为软件和硬件两大部分，软件包含核心的浏览、三维观测、三维建模及手术导 航软件模块；硬件是三维模型存储检索服务器。第 10 页名称数量描述医学三维成像临 床应用网络标准 版1 套包含核心的浏览、三维观测、三维建模软件模块及 手术导航。三维模型存储检

12、 索服务器1 台包含一台高性能服务器，附送正版操作系统、键盘 鼠标、杀毒软件、数据库检索软件。2、 系统功能模块专业定制版(编号：TECH3D00EH)1、 系统组成此版本功能齐全，根据医院的影像和网络环境定制，完全满足医院临床和手 术应用需求，大大提高临床和手术的效率和成功率，可以使得医院名利双收，而 且价格优惠，推荐医院使用。专业定制版由软件和硬件两大部分组成，软件包含 核心的浏览、三维观测、三维建模及手术导航、虚拟手术演练、三维打印设计输出设计软第 11 页件模块；硬件可以细分为高端移动式图形工作站、三维数字模型病例存储检索服务 器、三维触觉硬件、三维打印机。名称数量描述医学三维成像临床

13、 应用网络增强版1 套包含核心的浏览、三维观测、三维建模及手术导航、虚拟手术 演练、三维打印设计输出软件模块。虚拟化三维模型存 储检索服务器2 台包含两台高性能服务器，附送正版操作系统、键盘鼠标、杀毒 软件、数据库检索软件，服务器之间互相做虚拟化备份，提高 整体的存储、检索效率。3D 打印机1 台使用目前世界上先进的 3D 打印机，可以把做的三维模型打印 成实体。3D 触觉式设计系统4 套包含软件和硬件， 和虚拟手术演练完美地结合在一起， 操作起 来更加简单直观高端移动式图形工 作站10 台使用专业级电脑， 可以使得医学三维成像临床应用网络增强版 完美、高效地运行2、 系统功能模块第 12 页

14、白金定制版(编号：TECH3D00WG)1、 系统组成 白金定制版是拥有最完美的第四代影像系统架构、人机交互，集中式管理、分布式诊断 和手术模拟，从影像科到各个科室，再延伸到每个病房，给患者打造一个最完美的诊断和手 术环境，使得重大手术不再那么复杂，打造一个完全现在化的诊疗环境，满足现代化医学的 需求。名称数量描述医学三维成像临床应 用网络白金版1 套包含固定式和移动式的浏览、三维观测、三维建模及手术导航、虚拟 手术演练、三维打印设计输出软件模块。虚拟化三维模型存储 检索服务器2 台包含两台高性能服务器，附送正版操作系统、键盘鼠标、杀毒软件、 数据库检索软件，服务器之间互相做虚拟化备份，提高整

15、体的存储、 检索效率。3D 打印机2 台使用目前世界上先进的 3D 打印机，可以把做的三维模型打印成实体。3D 触觉式设计系统4 套包含软件和硬件，和虚拟手术演练完美地结合在一起，操作起来更加 简单直观。第 13 页固定式 PACS 改造1 套包含服务器 PACS 软件和硬件建设或改造升级，完全满足系统运行需 求。移动式 PACS 建设1 套配合平板电脑和无线网络，让医生随时随地在平板电脑上进行三维建 模和诊断。医院无线网络覆盖1 套包含有线和无线网络设备，使得医生在医院任何地点都可以使用个人 电脑或平板电脑传输、接收手术方案和三维模型。移动式手持终端20 台包含平板电脑和三维建模客户端以及临

16、床应用工具套装。高端移动式图形工作 站10 台使用专业级电脑，可以使得医学三维成像临床应用网络白金版完美、 高效地运行2、 系统功能模块医学三维成像临床应用系统应用流程1 患者来医院看病，影像科扫描断层数据，并把数据存储在医院影像科服务器中。第 14 页2 医师把断层图像从影像科服务器拷贝到自己的办公电脑上，使用医学影像浏览工具分析 断层图像，并且使用体渲染工具进行三维建模，通过改变三维模型透明度测量分析某个 器官，并根据断层图像和三维模型和患者进行病情的初步沟通，并把片子和三维模型截 图拷贝给病人一份。3 医师使用基于表面的三维渲染工具， 通过对图像进行优化、 阀值调整、 图像分割等操作， 把图像中感兴趣的区域进行精确的三维建模。4 医师使用快速成型机把制作好的三维模型打印成实物。5 医师们使用三维手术导航、三维触觉设计这两个工具和打印出来的三维实物针对患者进 行手术方案定制、术前模拟演