虛擬人體研究與圖像處理方法范文

本站小編為你精心準備了虛擬人體研究與圖像處理方法參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

1美國可視人計劃的成果及虛擬人設(shè)想

自美國可視人計劃(VHP)1994年與1998年相繼推出一男一女尸體高精度、高分辨組織切片光學照相、CT和MRI斷層圖像后,計算機技術(shù)實現(xiàn)了人體解剖信息的數(shù)字化、可視化。人類在認識自己身體的結(jié)構(gòu)方面前進了一大步。使人們以三維形式看到人體數(shù)千個解剖結(jié)構(gòu)的大小、形狀、位置及器官間的相互空間關(guān)系。目前,美國可視人計劃仍處在第二階段工作。對余留部分圖像數(shù)據(jù)繼續(xù)分割、分類。已經(jīng)完成包括6個功能模塊的用于解剖教學的可視男人胸部數(shù)據(jù)庫的測試版;基于網(wǎng)絡(luò)的頭頸部圖譜正在研制。還開發(fā)了可視人圖像處理工具,目的是生成一個支持醫(yī)學圖像分割、分類及可變形配準方面圖像分析研究的工具。并考慮在下一代因特網(wǎng)支持下,實現(xiàn)有觸覺控制的可視人圖像數(shù)據(jù)集實時2D和3D可視化。VHP面世以后立即引起多個領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛重視,并已經(jīng)在實際應用方面產(chǎn)生了巨大價值。到目前為止,已向42個國家批準發(fā)放1400多個許可證,將該數(shù)據(jù)集應用到教學、診斷、治療計劃、虛擬現(xiàn)實、藝術(shù)、數(shù)學及工業(yè)方面(參見表1)。與此同時,科學家們進一步提出“虛擬人”(VirtualHuman)的設(shè)想。“可視人”是從幾何學角度定量描繪人體的解剖結(jié)構(gòu),屬于“解剖人”。如果考慮人體組織的力學特性和形變等物理特性,就是第二代的“物理人”。包括生理特性的數(shù)字化人體被列為第三代的“生理人”。研究人體微觀結(jié)構(gòu)及生化特性的則屬于更高級的虛擬人。最終的虛擬人應能最真實、最深入地從解剖、物理、生理、生化,從宏觀到微觀,從表象到本質(zhì)全面反映人體的交互式數(shù)字化人體。目前,雖然臨床手術(shù)計劃和導航出于對手術(shù)過程中組織變形的考慮,部分學者已經(jīng)開始第二代虛擬人研究,但大部分的虛擬人的研究仍集中在第一代。眾多的計算機專家與特定的醫(yī)學領(lǐng)域?qū)＜蚁嘟Y(jié)合,致力于更多具有臨床意義的解剖結(jié)構(gòu)精確三維重建。該項工作的完成將對醫(yī)學和其它許多領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。從斷層掃描數(shù)字圖像精確重建人體解剖組織涉及到一系列圖像采集和處理的科學和技術(shù)問題。表1所列出的醫(yī)學圖像處理技術(shù),如圖像的分割、分類、配準、重建和顯示等都是當前醫(yī)學圖像研究的重點和熱點。

2美國還想做新的可視人

美國國立醫(yī)學圖書館NationalLibraryofMedicine(NLM)與下述單位聯(lián)合征集對VHP解剖方法的建議。這些單位是國立牙科與顱面研究所NationalInstituteofDentalandCraniofacialResearch(NIDCR)國立眼科所NationalEyeInstitute(NEI)國立耳聾與交流失常研究所NationalInstituteofDeafnessandOtherCommunicationDisorders(NIDCD)國立癌癥研究所NationalCancerInstitute(NCI)國立精神健康研究所NationalInstituteofMentalHealth(NIMH)國立神經(jīng)失常與中風研究所NationalInstituteofNeurologicalDisordersandStroke(NINDS)及國家科學基金NationalScienceFoundation(NSF)征集的內(nèi)容包括(1)為多種成像模式數(shù)據(jù)的精確配準與對齊,要在新鮮尸體上做標記記號或某種參考框架增強MRI和CT圖像。(2)建立可視人組織最佳固定方法所須的一組條件。(3)通過填充有色物質(zhì)的魯米那檢測血管系統(tǒng),該物質(zhì)在可視人低溫保存和低溫切片時具有物理穩(wěn)定性。(4)尋求一種具有能夠在低溫反應條件下檢測外圍神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組織化學特性的化學標記物,使其能夠?qū)⑸窠?jīng)的圖像與周圍組織分開。(5)開發(fā)包括測試光的極化、本征熒光及多譜成像數(shù)據(jù)的數(shù)字數(shù)據(jù)采集方法,以實現(xiàn)識別和檢測解剖結(jié)構(gòu)之目的。內(nèi)容的第(1)、(2)意在采集多種模式圖像,便于精確配準;第(3)、(4)條要增加人體血管和神經(jīng)的信息,第(5)點則表明要提高組織重建準確性。看來,美國新版可視人將與中國第一代虛擬人競爭產(chǎn)生。

3可視韓國人開創(chuàng)虛擬東方人的先河

正當中國科學家們緊鑼密鼓地醞釀中國虛擬人計劃時,韓國的專家已從2001年1月正式啟動了可視韓國人的項目。亞洲大學的鄭民錫教授領(lǐng)導的研究小組在韓國科學技術(shù)情報研究院(KISTI)的支持和領(lǐng)導下,自己動手、自力更生,設(shè)計和改造大型人體尸體組織冷凍切片機。至今已經(jīng)完成了3個人體數(shù)據(jù)采集工作。限于尸體的來源,這3個尸體都不能作為“標準人體”數(shù)據(jù)。因為第1個是患有腦瘤的65歲老人;第2個60歲,死于車禍;第3個雖是年輕人,但卻患有白血病。盡管如此,他們卻積累了不少經(jīng)驗,為可視韓國人的五年計劃繼續(xù)奮斗。

4中國虛擬人的有關(guān)醫(yī)學圖像方法學考慮

自去年關(guān)于“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”的第174次香山科學會議之后,我國學者已經(jīng)獲得國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題:“數(shù)字化虛擬人體若干關(guān)鍵技術(shù)”的支助,正式啟動中國虛擬人體的研究。這是一個復雜、巨大的系統(tǒng)工程。任何一個細節(jié)的失誤都會造成整個系統(tǒng)的缺憾。本人從醫(yī)學圖像研究角度有以下初步的考慮。

4.1中國虛擬人的醫(yī)學圖像應是具有高精度、高可靠性的標準數(shù)據(jù)集可視人(或虛擬人)圖像都是建立在斷層掃描技術(shù)(Tomography)的基礎(chǔ)之上的。所謂斷層掃描是指對人體分層掃描,每層是一幅由稱做像素(pixel)的最小元素組成的二維平面圖像,像素的強度被數(shù)字化。一系列的連續(xù)層片形成人體的一部分,其最小組成元素稱為體素(voxel)。這些體素的強度值構(gòu)成體數(shù)據(jù)集。可以采用各種算法對體數(shù)據(jù)集進行加工和處理,產(chǎn)生所需的圖像。因此,全部可視人圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)在于體數(shù)據(jù)集的高精度、高可靠性的獲取。虛擬人的現(xiàn)代醫(yī)學圖像處理與分析是計算機、信號處理、解剖學、神經(jīng)科學、核技術(shù)、放射科學、心理學等多學科、多領(lǐng)域交叉科學。人體圖像數(shù)據(jù)獲取也絕非是一個簡單的圖像掃描操作,而應由多學科、多領(lǐng)域的專家合作,精心設(shè)計才能完成。美國可視人的數(shù)據(jù)質(zhì)量就存在嚴重的問題,例如可視人數(shù)據(jù)胸部、大腿上部及小腿的橫斷面都有數(shù)據(jù)缺失及采集過程損壞現(xiàn)象。中國虛擬人計劃增加人體功能圖像的采集。活體功能數(shù)據(jù)采集涉及身體運動及生理噪聲的干擾,需要有良好的抑制噪聲、消除運動及生理偽跡的濾波技術(shù),以增強圖像的信號噪聲比。可視人數(shù)據(jù)集包括海量數(shù)據(jù),如果通過因特網(wǎng)提供服務必須考慮數(shù)據(jù)壓縮問題。可視人每層片的原始數(shù)據(jù)有2048×1216個24位彩色像素,未壓縮數(shù)據(jù)是7.5MB。整個數(shù)據(jù)集為14GB(男),39GB(女)。初始處理包括剪裁原圖像,去除骨膠背景。原圖像是軸向的,須重構(gòu)冠狀及矢狀兩正交平面圖像,并用75%質(zhì)量值轉(zhuǎn)換為JPEG格式。圖像質(zhì)量略有退化。使軸向?qū)悠瑪?shù)據(jù)在50~180KB,另兩個方向?qū)悠源笮?為50~350KB。中國虛擬人計劃包含信息更多,數(shù)據(jù)的壓縮與圖像質(zhì)量問題應妥善解決。

4.2中國虛擬人的醫(yī)學圖像分割和分類需要計算機及醫(yī)學領(lǐng)域?qū)＜颐芮泻献骺梢暼擞媱澃l(fā)揮作用的關(guān)鍵是要做到從數(shù)據(jù)到知識的轉(zhuǎn)化。無論是2D斷層掃描數(shù)據(jù),還是3D體數(shù)據(jù)集都無法讓人們直觀地了解人體。要想做到這點,必須將這些數(shù)據(jù)可視化。即精確構(gòu)建2D和3D交互式瀏覽器,實現(xiàn)2D任意方向剖面瀏覽及解剖結(jié)構(gòu)3D可視化。這項工作除醫(yī)學圖像分割與分類算法外,解剖標識可以將可視化的器官(組織)與解剖名詞聯(lián)系起來,便于實際應用。但是,目前并無建立這種聯(lián)系的標準。在基于圖像的結(jié)構(gòu)描述和表示方面需要做基礎(chǔ)研究,以將基于圖像的結(jié)構(gòu)-解剖數(shù)據(jù)與基于文本的功能-生理數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。醫(yī)學領(lǐng)域?qū)＜?包括眼、耳、頭頸、胸、腹等科)的積極參與是虛擬人最終質(zhì)量的決定性因素之一。包含多種信息的虛擬人數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)也是重要的研究內(nèi)容。

4.3中國虛擬人應包含解剖與功能等多種信息的醫(yī)學圖像美國可視人基本上是解剖人,不包含任何人體功能信息。用傳統(tǒng)的成像技術(shù)是無法了解人體器官或組織的功能的。近10年來伴隨科學技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了多種反映人體功能(新陳代謝、感官、認知、藥物動力學等)的成像方式。例如PET(正電子斷層掃描像)、SPECT(單光子發(fā)射斷層掃描像)、fMRI(功能磁共振成像)及OpticalIntrinsicImaging(本征光學成像)等。有了這么多種成像方式,就可以從解剖、功能、生理以至生化等方面更加全面了解人體。由于功能成像必須是健康活體采集,若對死刑犯采集可能存在心理對功能影響問題。對功能圖像質(zhì)量評估存在一定困難。若對不同受試者采集功能圖像,則存在功能信息與解剖信息有效融合的問題。不同人體信息的融合涉及復雜形變的配準等難題。

4.4中國虛擬人計劃應加強具有復雜形變的配準方法研究在臨床診斷、放射治療計劃和圖像引導手術(shù)中,經(jīng)常要求病人接受多種計算機斷層掃描成像,以提供病理和解剖方面的互補信息;但是由于病人在成像時的定位差異,以及不同圖像的分辨率、對比度等參數(shù)的設(shè)置不同,醫(yī)生很難單憑想像將多幅圖像準確地對齊。醫(yī)學圖像配準就是通過尋找某種空間變換,使兩幅圖像的對應點達到空間位置和解剖結(jié)構(gòu)上的完全一致。配準的結(jié)果應使兩幅圖像上所有的解剖點,或至少是所有具有診斷意義的點都達到匹配。沒有配準功能,可視人(虛擬人)數(shù)據(jù)只是一個孤立的模型,有了精確配準可視人數(shù)據(jù)才能得到充分的應用,實現(xiàn)標準數(shù)據(jù)與正常人或病人比較。由于人體個體解剖差異,需要具有復雜形變的配準方法研究。

4.5中國虛擬人計劃應用與現(xiàn)代計算醫(yī)學的關(guān)系虛擬人所涉及的現(xiàn)代醫(yī)學圖像處理與分析是精確的定量研究。無論人體解剖結(jié)構(gòu)精確重建,包括邊緣、輪廓提取、感性趣區(qū)(ROI)提取,產(chǎn)生人體器官、組織形狀、大小及空間位置,與周圍器官、組織的相互關(guān)系或3D可視化技術(shù)都需要涉及處理大量數(shù)據(jù)、復雜算法。這整套的處理方法已經(jīng)形成一門新的科學,即計算醫(yī)學。可視人的應用突出地顯現(xiàn)了計算醫(yī)學的威力。一個典型的例子是圖像指導的治療(ImageGuidedTherapy,IGT)技術(shù)。由于用圖像實時引導手術(shù)過程要求對術(shù)間獲取的圖像在盡可能短的時間內(nèi)處理,而一個包含結(jié)構(gòu)形態(tài)改變的體積圖像,在考慮人體組織的材料特性的情況下,須解數(shù)十萬乃至數(shù)百萬個方程,屬于高性能計算(HPC),只能用超級計算機并行實現(xiàn)。哈佛大學使用SunMicrosystems公司的Ul-traHPC6000超級計算機。它由20個250MHzUl-traSPARC-II,有4MBEcache的CPU組成,系統(tǒng)RAM為5GB。對基于生物力學的人腦形變運算時間約10~20秒,不只限于手術(shù)仿真,而且已經(jīng)臨床應用2例。他們還實驗了其它的方案,例如,使用多個CPU為533MHz,RAM為768MB,硬盤2.1GB的Com-paqAlpha工作站通過10/100Mbps以太網(wǎng)聯(lián)結(jié)的機群結(jié)構(gòu),得到相近的效果。IGT的出現(xiàn)不足10年的時間,由于它對提高現(xiàn)代臨床醫(yī)學,特別是疾病治療和手術(shù)水平方面的巨大影響,因此發(fā)展十分迅速。