医学三维成像临床应用系统-2013-4-18.docx

医学三维成像临床应用系统设计方案设计者：郑千第 5 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，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：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。我们也可以模拟手术，例如切割分离，配准，植入假体等等：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。OccipitalLobeSeptum PellucidumCorpus CallosumGreyMatter(greyWhite Matter (blue)CerebellumPonsTemporalLobeFrontal Lobe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 15 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 rendering).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：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 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。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 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、 系统功能模块医学影像浏览医学影像三维观测医学影像三维手术导航专业定制版(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 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、 系统功能模块医学影像浏览医学影像三维观测医学影像三维手术导航 虚拟手术演练 三维快速成型白金定制版(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。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、 系统功能模块医学影像浏览医学影像三维观测医学影像三维手术导航虚拟手术演练固定式影像数据中心移动式影像数据中心无线移动式三维工具集无线网络基础设施三维快速成型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。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、术前模拟演练，并和患者进行术前详细交流，同时把三维数字模型拷 贝到服务器上，便于以后复诊检索。患者可以购买打印好的三维实物。6 医师在手术进行当中根据通过三维模型和三维实物进行精确的手术操作，提高手术成功率、缩短手术时间、降低医疗成本。7 手术结束，医师可以根据三维模型对患者进行康复指导。8 患者出院，如果以后患者病情复发，可以拿着片子、三维模型文件和购买的三维实体去 医院复诊。医学三维成像临床应用系统应用范围1 医疗：本系统适用于各大医院当中属于临床医学的科室，例如五官科、内科、外科、妇 产科等等。2 教学研究：本系统适用于从事医学研究或教育的单位，例如：医学院、卫校等等。3 科普：本系统适用于人体科普展会。 注意：以下显示的三维效果是经过电脑平滑优化之后的，我是为了方案好看，效果调得美 观一点。如果要最真实的效果，就不用针对模型做平滑度优化了。第 17 页医学三维成像临床应用系统应用案例1、病例介绍上图显示了一个口腔肿瘤患者做完切除手术以后，留下的一个孔洞。为了保护孔洞周围的软 组织，让患者可以正常地呼吸、吃饭，这个孔洞必须放入一个填充物。患者做了 CT 扫描，医师首先准备好做填充物的模具：填充物使用的的材料是有机硅：有机硅是一种可变形的塑料，填充物的尺寸必须要精确，否则会影响孔洞周围的软组织， 适得其反。为了做一个最合适的填充物，我们可以使用本系统把病人口腔当中的孔洞进行三维建模，接着使用相应的工具对模型进行测量，然后用 3D 打印机把实体模型打印出来。使 用这种方法，可以让填充物的制作和植入过程一次到位。2、操作过程：操作过程和上述的 4 大模块一一对应。1 断层图像浏览：浏览病人的 CT 平面图，找到感兴趣的位置，仔细观察，同时可以使用 工具测量。2 医学影像三维观测：使用体渲染建立三维模型，并且调整旋转角度、调整透明度、颜色、 剖切位置，对内部孔洞进行观测。第 19 页3 医学影像三维手术导航：对二维图像进行优化，通过调整图像阀值，使用基于表面的渲染，对二维图像进行三维建模，并使用剖切，对内部孔洞进行观察和测量使用图像分割，然 后把感兴趣的区域(内部孔洞)，从三维模型上分离出来并且进行测量：第 25 页4三维快速成型：把孔洞使用三维打印机打印成实体，医师根据孔洞数字和实体模型，制作出最合适的填充物，植入到患者口腔内部孔洞。商业模式可行性分析：一、医疗应用 医疗应用面临的问题及解决方法：1、误诊率：近年来，医学科学技术和检查手段的发展日新月异，但根据统计，近 20 年来误 诊率并没有减少。 本应该右脚做手术，医生却在病人的左脚上动了刀子；因没有诊断出胆 囊结石，某医院错切了患者的胆囊，致使病人延误了胆总管结石治疗将误诊作为关键 词进行搜索，案例数不胜数。临床误诊误治杂志主编陈晓红解释，定义误诊必须包括四 个方面内容：一是病人已经就诊，二是就诊时具备了确诊的条件，三是医生没有主动收集用 以诊断所需的资料，四是已经进行无效的治疗并使病情延误恶化。 陈晓红说，误诊研究一 般带有回顾总结的性质，她组织 30 多位临床医生对 1990 年以来国内公开发行的医学期刊进 行调查， 涉及医学期刊近 700 种共 300 多万篇文献，其中检索出误诊文献 10 万余篇。通 过计算机技术，对采集的 1500 多万条误诊文献信息进行归纳、统计、分析。结果发现，20 年来年度误诊率波动在 26%31%之间。这一数据与国外报道的误诊率基本相同。2、手术成功率及效率：手术的成功率及效率取决于医生术前的手术规划及对手术操作的熟 练度。如果面临复杂手术的时候，如果医生没有很好地设计手术方案演练及患者病情分析， 就会使得手术成功率和效率大大降低。3、患者信任：在手术前和患者做详细地沟通，让患者知道自己的手术过程是什么样子的， 当然用传统的看片的方式，患者是没有办法理解的，因为非医学专业人人士不会看片。4、解决方法： 当然使用三维可视化可以提高诊断及手术的准确率和效率，同时可以使患 者对自己的病情有充分的理解，对医院更加信任。5、案例分析：目前在我们国内的广州珠江医院研发了一套针对三维可视化系统，大大提高 了腹部诊断的准确率：有这样一个案例：因为右下肢浮肿，年仅 37 岁的黄先生到医院去检 查，几家大医院检查结果都显示是胰头癌晚期，已失去手术机会。认为自己离死神只有一步 之遥的她，在一次偶然的机会，听说珠江医院拥有先进的技术-医学图像三维重建及可视 化技术。抱着最后一线希望，他来到珠江医院。经检查，得出的结果却让他震惊：肿瘤有手 术切除的机会。最后，新技术神奇地把他从死神手中救活了过来。详情可以观看视频。视频网站链接：/video/C10346/31abbbc8639340db976f014bb6f965786、本系统的优势对比：珠江医院的三维可视化系统医学三维成像临床应用系统的优势珠江医院的三维可视化系统只是简单地 对腹部进行三维建模及手术演练。本系统可以对全身任何部位进行三维建模及 手术模拟，应用范围更广。珠江医院的三维建模方式只有体渲染。本系统既可以进行体渲染同时可以使用基于 表面的渲染技术，更直观并且精度更高。珠江医院只能做腹部的三维建模，不能 使用 3d 打印机打印出来。本系统建立完的三维模型可以使用多种品牌 的 3D 打印机打印成实体。珠江医院的三维建模系统扩展性不好， 只能用在单一的电脑上。本系统可以用在多台电脑上，并且可以用在多 种类型的平台，例如：笔记本、台式机甚至平板 电脑。珠江医院的三维建模系统只能和 CT 一 起使用。本系统可以和 CT、核磁共振、B 超一起使用， 更通用。珠江医院的三维建模系统建立的模型只 能导出成 2D 图片保存，查看起来不够直 观。无法进行模拟手术重复演练。本系统建立的模型既能导出为 2D 图片同时可 以导出为三维模型进行保存，以后再调用查看或 进行修改及做重复的模拟手术更加方便。二、教学研究： 例如：解剖的人体标本短缺，耽误了教学及研究，如果使用本系统，可以解决这种问题， 不仅可以做三维的数字模型同时可以使用三维打印机打印成实体，并且可以复制，和真实的 人体标本是一样的。第 30 页 目前国内在学校里面有属于计算机辅助外科的专业，但是计算机辅助外科的核心是三维建模和 3D 打印，国内学校对以上两点重视不够，会拉大和国外的医学教育的距离，使得学 生掌握不到最新的医学技术。如果使用本系统可以使学生对数字医学产生极大兴趣的同时， 同时提高学生的专业技