喉的數(shù)字解剖與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真.pdf

1、數(shù)字解剖學(xué)就是應(yīng)用數(shù)字化的技術(shù)手段，對人體的解剖結(jié)構(gòu)及其功能進(jìn)行數(shù)字化，并對數(shù)字化的信息進(jìn)行解剖學(xué)觀察、測量、虛擬操作等方面研究和應(yīng)用的一門科學(xué)。隨著CT、MRI技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，使得人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)字化與三維可視化成為可能，特別是美國可視人和中國可視化人體數(shù)據(jù)集的相繼問世，提供了高精度的彩色人體斷層圖像，為高精度人體數(shù)字結(jié)構(gòu)模型的建立提供了理想的數(shù)據(jù)源。利用數(shù)字化人體數(shù)據(jù)集可以建立人體的數(shù)字模型，如人體的幾何模型和體素模型，在數(shù)字模型

2、的基礎(chǔ)上，結(jié)合解剖學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)，可以滿足斷層解剖學(xué)、系統(tǒng)解剖學(xué)標(biāo)本的演示等常規(guī)解剖學(xué)的教學(xué)需求，并能實(shí)現(xiàn)任意方位的斷層圖像的獲取、無損壞標(biāo)本示教、遠(yuǎn)程教學(xué)等常規(guī)解剖學(xué)研究和教學(xué)中無法實(shí)現(xiàn)的目的。目前數(shù)字解剖學(xué)還處在初始階段，在數(shù)字化人體數(shù)據(jù)的獲取過程中，在圖像分割、三維模型的建立與虛擬仿真中，以及異地遠(yuǎn)程教學(xué)方面仍存在許多問題，需要進(jìn)一步完善與提高。 為此本實(shí)驗(yàn)擬在現(xiàn)有的數(shù)字化人體建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)獲取與處理、圖像分割與三

3、維重建、模型可視化與虛擬仿真等方面探討數(shù)字解剖學(xué)教學(xué)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法，為數(shù)字解剖學(xué)提供理論依據(jù)和技術(shù)平臺。本實(shí)驗(yàn)選擇第二例中國數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集的喉區(qū)斷層圖像(下頜角與甲狀腺下緣之間)作為主要研究對象，同時通過冰凍銑切技術(shù)獲得冠狀、矢狀位各1例頭頸部數(shù)據(jù)集，根據(jù)圖像上配準(zhǔn)點(diǎn)的特征進(jìn)行自動配準(zhǔn)，建立相應(yīng)的高精度配準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。在圖形工作站上利用Amira4.1軟件對3例數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維重建，利用數(shù)字化重采樣技術(shù)對建立的體素數(shù)據(jù)體進(jìn)行數(shù)字化虛擬切

4、割，從多方位模擬同一例標(biāo)本斷層圖像的獲取。采用手工的分割方法對第二例中國數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集喉區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)分割，利用自行開發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)分割數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，使得一次圖像分割的結(jié)果可用于多種可視化軟件系統(tǒng)。利用體繪制和面繪制的方法在Dextrobean和Amira虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了喉區(qū)重建結(jié)構(gòu)的三維立體顯示，模擬喉的解剖學(xué)教學(xué)和臨床技能的仿真操作，探討高精度圖像分割的方法，以及與數(shù)字解剖學(xué)的相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)與軟硬件平臺建設(shè)。將A

5、mira軟件系統(tǒng)中建立的面模型經(jīng)模型簡化與平滑處理后輸出為VRML模型，利用VRML模型的可視性、交互性，結(jié)合HTML和JavaScript語言對喉區(qū)的數(shù)字模型進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬解剖學(xué)教學(xué)研究，建立了喉的數(shù)字解剖學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，并探討數(shù)字解剖學(xué)三維立體模型在網(wǎng)絡(luò)的傳輸與虛擬仿真操作。其研究成果有助于數(shù)字解剖學(xué)的研究和開展，為數(shù)字解剖學(xué)的教學(xué)提供技術(shù)支撐和應(yīng)用平臺。 本研究的主要研究結(jié)果和結(jié)論如下： 1.根據(jù)冰凍斷層圖像上

6、的配準(zhǔn)點(diǎn)特征信息，利用自主開發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)集圖像的自動配準(zhǔn)，其配準(zhǔn)誤差小于1個像素，達(dá)到亞像素水平。 2.利用數(shù)字化重采樣技術(shù)對橫、冠、矢3例頸部的數(shù)據(jù)集分別進(jìn)行了同一例標(biāo)本多方位斷層圖像的采集與觀測，實(shí)現(xiàn)虛擬斷層解剖學(xué)的研究與觀察，為臨床影像診斷和數(shù)字化虛擬斷層解剖學(xué)的開展提供了技術(shù)方法和形態(tài)學(xué)資料。 3.利用手工分割的方法獲得了喉區(qū)結(jié)構(gòu)的高精度分割數(shù)據(jù)集，從圖像分割到三維數(shù)字化建模與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等方面進(jìn)行技術(shù)上的

7、探討，建立了一套完整的技術(shù)路線。用自制的分割數(shù)據(jù)集格式轉(zhuǎn)換軟件實(shí)現(xiàn)了分割數(shù)據(jù)精確轉(zhuǎn)換，使得一次分割的結(jié)果可用于多種可視化軟件系統(tǒng)。 4.采用面繪制和體繪制的算法建立了2種喉的精細(xì)數(shù)字化解剖模型，可作為解剖學(xué)教學(xué)標(biāo)本的補(bǔ)充。并對建立的喉模型進(jìn)行虛擬的解剖學(xué)操作，為數(shù)字解剖學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 5.建立了喉區(qū)結(jié)構(gòu)的VRML數(shù)字模型，通過事件路由設(shè)置實(shí)現(xiàn)了模型的可視化控制，結(jié)合HTML和JavaScript語言實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)