科技助力医学发展 创新打造健康人生

1/7科技助力医学发展创新打造健康人生科技助力医学发展创新打造健康人生心脑血管是人体血管中的最典型代表，心脑血管疾病是当前影响人类健康最主要的疾病之一。结合信息科学与生命科学特点，运用计算机最新科技方法对血管的研究，是近年来该领域的研究热点。该领域的研究进展和技术突破，对临床医学、生命科学、病症统计学及预防学等领域的发展将带来重要的影响。由于心脑血管在人体组织中所占比例低，血管成像灰度不均匀，形态复杂且个体差异性大，细小血管间多存在缠绕和遮挡，使得对心脑血管的可视化成为计算机图形学领域中的重要问题，也成为心脑血管医学领域发展的最大障碍。北京师范大学周明全教授自2000年以来，带领科研项目组团结一致，在心脑血管可视化技术和虚拟现实技术研究领域取得了斐然的成绩，为祖国医疗事业的发展做出了突出贡献。开拓创新，打破技术瓶颈据统计，脑血管疾病是全世界导致人类死亡的主要疾病之一，因此对其早期预防及治疗极为重要。通过影像技术进行无创伤脑血管病变的检测，是一种有效的诊断和监测脑血管疾病的方法，也是最能被人所接受而不会产生副作用的技术，它可以在整个治疗过程中使用监测治疗效2/7果。精确描述脑血管对疾病诊断和定性分析十分重要，但通常对血管疾病的诊断，医生往往是通过对仪器屏幕图像或胶片进行肉眼观察，凭个人的经验进行分析和诊断。由于诊断时易遗漏某些细微变化，而且受不同医师间及同一医师间的阅片差异的影响，其诊断结论往往带有较多的主观成分。而计算机对于纠正这些错误和不足具有巨大的优势。因此，通过计算机技术和虚拟现实技术来辅助医生准确观察和诊断，是一个亟待解决的问题。自2000年开始，北京师范大学周明全教授项目组相继在国家自然科学基金、博士后基金、国家自然基金重点项目、北京市自然科学基金与北京科技基础条件平台建设的支持下开展了人体可视化与虚拟内窥项目研究，研究历时十五年。这期间，不仅使国内可视化技术和虚拟现实技术与国际上此领域研究同步，并率先在国内开展数字化头颅新技术研究，由鼻腔内窥问题引入，面向心脑血管可视化、模型分析与内窥的相应问题，取得了理论方法、支撑技术、领域应用等一系列研究成果。据了解，传统的三维诊断是通过转化成图像的方式进行的，其观察的角度和方位都会受到图像的影响。周明全教授带领项目组研究的心脑血管可视化技术是针对人体心脑血管的计算机应用技术。通过对数字化的医学影像的智本文由论文联盟HTTP/收集整理能处理、数据分析、三3/7维建模、数据可视化，虚拟现实，以充分呈现人体血管的形态特征，方便医生洞察医学数据，应用于医学教学、科研、临床，达到对疾病诊断、病灶检测、辅助治疗的作用。另外，随着虚拟现实技术逐渐从实验室走向实际应用，项目组的研究意义进一步得到证实。周教授介绍说，在医学领域，应用该虚拟现实技术只要用扫描设备就可以在电脑里构造一个筋骨分明的、逼真立体的“数字病灶”，医生便可分析病灶的情况，在虚拟环境下监测、诊断以及寻找最佳的手术路径，以降低风险。在研究过程中，周教授带领项目组将具体的研究工作分为三阶段。第一阶段2000年以来，在国家自然科学基金等项目支持下，在国内率先展开了人体的数字化头颅可视化及分析研究。通过CT和MRI获取人体的影像信息，实现了活体脑数据的获取及测量分析，应用计算机技术模拟传统的医学解剖。通过图形学方式实现脑部组织的可视化，是国内最早从事虚拟内窥镜和人体可视化的团队。中央电视台XX年在科技博览栏目，以“虚拟内窥镜”为题进行了报道。第二阶段周明全教授主持的863项目和北京市自然基金重点项目。研究突破了传统内窥镜中组织不易进入4/7和不可进入，病灶组织不宜接触和不可接触，组织不容易观察等缺陷，将数字医学影像技术和计算机可视化新方法引入到心脑血管数据采集和分析过程，提出心脑血管虚拟内窥研究体系。第三阶段以周明全教授主持的国家自然基金重点项目为标志，通过解剖学、临床医学与信息学科的交叉，定性定量地分析心脑血管形态规律，极大地提高了心脑血管医学诊断的客观性和有效性，最终形成了心脑血管虚拟内窥研究的科学体系。锐意进取，成果丰硕通过项目组成员的通力合作，目前他们已经在可视化技术和虚拟现实技术研究领域取得了可喜的成绩，完成了关于脑血管分割表示等多项重要工作。他们在研究基于项目组武仲科教授提出的球B样条的脑血管模型基础上，探讨了三维脑血管树状表示模型，血管分割和三维模型重建，三维脑血管模型可视化，虚拟内窥导航以及上述功能如何在虚拟现实环境中使用等一系列问题。具体成果包括1构造脑血管形态分割研究体系。对传统方法进行研究的基础上，形成了基于形变的脑血管分割模型和基于统计的脑血管分割模型，构造了脑血管形态分割研究体系。研究了基于参数统计方法、基于LEVELSET方法的区域活5/7动轮廓模型法、基于双高斯模型的参数统计方法、基于高斯GIBBS场的统计模型与基于参数模型和统计模型融合的方法。2形成了脑血管球B样条表示，重构模型。面向脑血管的管状物构造问题，提出了一种基于球B样条的血管网络表示模型，应用修正梯度矢量流场构造达血管分支的拓扑结构，采取通过最小化能量曲线半径函数构造球体半径，最终用球B样条曲线重构出血管的集合信息。此模型可用较少的数据集表示，对于类似血管树的复杂模型可实现快速计算及灵活操作。3基于GPU加速脑血管体绘制技术。在脑血管三维模型重构之后，研究了模型的实时高质量绘制和模型任意方位的实时交互解剖，能够获取完整而精确的任意剖面数据。利用光线投射法，由GPU的CUDA的线程模型结构组织管理，实现并行加速。完成表行的血管体绘制和表意的血管体绘制。4虚拟内窥镜导航。在上述关键技术的基础上，结合面绘制和体绘制技术，实现了三维虚拟环境下脑血管的交互漫游和自主漫游。利用上述技术，项目组设计并实现了脑血管模型的三维可视化及虚拟内窥导航系统与虚拟人体解剖系统。系统可实现脑血管疾病的诊断、医疗方案的制定和治疗过程6/7中的监测以及脑血管疾病的教学和培训。项目的多年研究成果中，完成了脑血管重构分析和VR环境下人体解剖两个系统，与医院相关科室开展合作，实现了百余套医院数据的系统测试和检测。不仅大大提高了医生诊断的准确性和实效性，还为医学院校的辅助教学提供了极大的便利，让学生能够更加直观的理解教学内容。产业化发展，助力祖国医学事业任何一项科研成果的研究过程都会经历诸多难题，在周明全教授项目组的研究过程中，最大的难题就是数据处理难度大，因为每个患者的病情成像条件不同，在清晰度和噪声处理方面遇到各种干扰因素，为此，项目组王醒策老师研究了混合统计模型图像分割技术，最大限度的保障了图像的真实性。另外在脑血管中心线提取等方面也都遇到过很多难题，但该项目组不畏艰难、精诚合作，通过每周的学术讨论和专家讲座等方式，不断吸取国内外先进技术和理念，全身心的投入科学研究，不断解决着一个个难题。同时，为了尽快将这一高新技术应用于临床实践，项目组与解放军304医院及北京协和医院合作，将信息科学与医学结合，通过可视化技术和虚拟现实技术来辅助医生观察和诊断血管，对心脑血管疾病的预防与治疗有重要作用。2016年12月14日，在北京师范大学科技楼B座117/7层VR会议室召开了心脑血管虚拟内窥研发与培育项目产品规划论证会，与会的有科技管理专家、信息化专家、医学影像专家及医学专家。专家组听取了项目组的总结汇报，观看了系统的运行演示，审查了相关技术资料，对有关问题进行了质询。专家组认为该项目具有创新性，