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3D可视化、3D打印、虚拟现实、增强现实在医学中作用的研究进展
时间:2019-10-20    评论:0
    来源:第三维度
    作者:潘雯、宫建

    近十余年来,医学飞速发展,相关医学术语被创造和重新定义,从“循证医学”到“靶向治疗”,从“个体化医疗”、“转化医学”、“整合医学”到“精准医学”,这一系列新名词代表了基础医学某些领域认知的进步和理念的更迭,医学数据的数字化越来越受到关注。

    传统诊疗过程中,医生根据二维断层图像分析患者的病灶部位特点,凭借经验估计病灶的结构、形态及其跟周围组织的关系,由于二维图像无法提供人体内部组织、器官的结构,因此缺乏直观性和准确性。医学图像三维(three.dimensiona1.3D)可视化技术、虚拟现实(virtualreality,vR)、增强现实(augmentreality,AR)、3D打印技术,将提高临床诊断、治疗的精确性和科学性,促进精准医疗的发展[3-43。本文从医学教学、医学科研、临床应用3个角度,阐述医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术在医药领域中的作用。

    1、概述

    医学图像3D可视化是从计算机断层技术(computed tomography,CT)、磁共振成像(magnetic resonancei maging,MRI)、超声波成像(uhrasono graphy,US)、电子发射计算断层造影(PET)等成像系统获得数据后,转换为人类视觉可感知的三维医学图像,该三维图像可操作、可分析。VR技术是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,为使用者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者身临其境,通过多感知性、存在性、交互性、自主性促进医生对患者复杂生命系统及疾病的了解。AR技术是在VR技术基础上发展起来的,可将计算机产生的虚拟物体融合于真实场景中,实时叠加到同一空间,具有虚实融合、实时交互、辅助增强的特点]。3D打印技术是集计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、数控技术、激光技术、高分子材料等领域为一体的全新快速成型技术。

    2、医学教学应用

    医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术的互相结合,对医学传统的教学模式、教学手段、教学方法都产生了巨大的冲击;目前主要用于虚拟解剖学、虚拟手术、虚拟实验室等。医学传统的教学模式和教学手段,多以教学图谱、教学模型、实验动物、尸体解剖、现场观摩等形式完成,这些方式有其自身的优点,但一定程度上均存在不足。

    在网络技术迅速发展,大数据现象在物理、生物、统计、医学等学科领域快速传播的时代背景下,多种教学模式、教学手段结合应用将成为教学的主流]。医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术的综合运用,将使教学过程更加形象、具体,可以达到事半功倍的效果。医学和药学传统的教学方法以讲授式、讨论式、启发式、情景式、“一主三学”等方法为主“,一定程度上均无法摆脱教学过程受时间、空间、内容、手段等条件的限制,教学成果的直观性尚有欠缺。综合运用医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术,将有效地弥补现有的教学体系的缺陷,增加教学案例多样性、提高师生互动性、增强学生的操控性,继而提高教学效果。此外,3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术对于中药学、药剂学、药物分析学、临床药学等药学课程的实训作用也很大,可以突出培养药学学生的主动学习能力、利用信息资源能力、解决问题能力,并能通过逼真的虚拟实验环境,减少实训成本,提升实训的教学效果。

    这四种技术的综合使用,将给医学和药学教学带来更广阔的发展空间,其在深化教学改革方面的意义和应用,必将深远而广阔。

    3、科学研究应用

    在医学应用中,不同模态的图像提供不互相覆盖的结构互补信息,例如,CT提供骨信息,MRI提供软组织信息,采用逻辑运算可以实现二者图像的合成。在医学应用中三维医学图像的绘制一是要突出特定诊断所需要的信息,忽略无关信息;二是要具备高度的可交互性,即需要一些常见的操作,如旋转、放大、移动等,还需要具有实时性,或至少是在一个可以忍受的响应时间内完成;这意味着在医学图像绘制中,可视化绘制时间短的方法将更为实用,而且医学图像的3D可视化可能使科学研究方式发生根本性变化。

    临床上,肝胆管结石患者容易复发,肝内胆管走行多变,狭窄位置不明确,患者手术前很难确切定位,现有的内镜逆行胰胆管造影(ERCP)、磁共振胰胆管成像(MRCP)、B超、CT等检查手段都不能完成理想的诊断。因此,在确定诊治方案时存在一定的难度,导致患者术后残石率高,故复杂性、多发性肝胆管狭窄并结石患者常需多次、反复手术,给患者带来的痛苦极大。为了解决这一难题,科研人员经过医学图像3D可视化、VR技术、AR技术的联合应用,最终获得了高清度结石、扩张或狭窄胆管的图像数据,使肝胆管结石手术病灶明确、手术方式更加精确;并且医生术前可以进行虚拟手术练习,拟定精准的治疗方案,使临床治疗效果大大提高]。

    骨科患者的个体化置人物研发是临床上一个重要的发展方向,骨科临床上常用的假体、钢板及螺钉等骨科置人物都是标准尺寸,可以满足绝大部分患者的需要,但部分患者因个体解剖结构差异或疾病的特异性,标准的内置物并不能满足治疗的需求。因此,临床上常常需要根据患者的个体特征,在常规设计理念的基础上,以医学图像3D可视化、3D打印、vR技术、AR技术研发骨科假体和内置物,参照患者的实际情况和特殊需求改进内置物与受区的匹配度,以便符合解剖和生物力学的需求,满足不同性别、人种、职业、运动习惯的个体需要。个体化骨科置人物的研发可以保证其几何形态的完美匹配,理论上能够保证良好的稳定性,改善骨长人,延长假体寿命。针对骨肿瘤患者,尤其是骨盆恶性骨肿瘤,医师要针对病变范围进行切除与重建,针对残留骨盆结构进行个体化半骨盆假体的研发设计,将达到个体化假体与残留结构完美匹配的目的,可实现患者术后功能上的最优化重建。

    医学图像3D可视化、3D打印、vR技术、AR技术目前在临床上的科研方向还集中表现在研发新型手术器械个体化植入物、功能器官等方面。临床上很多手术器械的规格是固定的,例如泌尿系统疾病的患者,使用的输尿管支架管都是标准化长度的,没有根据患者的体型分型,造成很多患者置管后膀胱不适。辅以医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术,将为患者量身研发出完全符合特定患者输尿管长度、宽度的输尿管支架管,提高临床疗效。对于肾脏肿瘤患者来说,这四种技术的综合应用,还能够将肾脏肿瘤的动脉、静脉、集合系统以不同的颜色展示,清晰地显示出病变与周围血供及集合系统的关系,大大提高手术过程的精准率。

    此外,医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术在药学科学研究中的应用亦前景广阔。2015年8月3日,FDA批准了全球第一个应用3D打印技术的新药——左乙拉西坦3D打印片剂,这在本质上是释药系统的创新,即药物制剂技术、辅料、给药装置、制剂设备、检测设备、包装材料等方面创新的结合。新药研发过程周期长、成本高、风险高,综合运用3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术,可以打印、虚拟具有活性的组织器官,在此基础上进行的新药实验,不仅能够缩短新药研发周期,节省研发费用,还能大大降低风险性。

    4、临床应用

    4.1、用于患者的临床诊断医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术的综合运用,不仅能够重现病灶的立体形态,而且医生可以从不同角度掌握病灶的特性,提高临床诊断的准确性。

    以虚拟内窥镜为例,即是综合应用医学图像3D可视化、VR技术、AR技术的非侵入式诊疗方法。虚拟内窥镜没有感染、出血等不良后果,可以重复使用、进行动态病理分析,而且可以检查光学内窥镜不能检查的人体组织,如脑、内耳、脊髓管、血管等。虚拟内窥镜结合了光学内窥镜、CT、MRI等断层成像的优点,利用CT、MRI、超声波获得二维断层结构数据,进行3D可视化处理,形成3D可视化图像,结合VR技术、AR技术,可以展示连续的三维器官内腔,并且可以沿着这个虚拟的内部空腔做飞行观察,模拟传统的内窥镜检查过程。。在检测人体组织结构时,虚拟内窥镜采集的图像可以制作成视频继续观察。在用于心血管疾病的诊断中,虚拟内窥镜可以检查血管管径的测量参数、血液流量、血流速度及管腔内的表象。此外,虚拟耳鼻喉镜、虚拟肠胃镜、虚拟支气管镜在临床诊断上亦前景广阔。

    4.2、用于患者术前制订手术方案对于临床上复杂的手术,医生可以借助医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术,充分暴露患者的病灶及其与周围血管、神经的关系,根据患者的个体特征制订对应的手术方案。医生术前制订手术方案的基础是对患者的术前评估,医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术综合运用将得到直接、精确的手术区域解剖结构的三维物理模型,借此可以协助医师做出更准确的判断,以便制订更加详细的手术方案。此外,术前医生能够以实物模型进行反复的操作练习,这对于指导个体化手术,缩短手术时间,提高手术成功率至关重要。

    4.3、手术过程中导航临床上,患者手术过程中难免会出现难以预料的情况使得手术方案无法实施;预先制定的完善的手术方案在应用于具体患者时,也会现预后效果不理想的状况;辅以医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术的术中导航,将确保手术方案顺利、精确地实施。例如,骨科患者内固定器械、手术螺钉的置入常常借助于配套的瞄准器械、模板系统或x线影像,但内固定置入是否精确、患者预后是否良好,常常因医生的经验而差别很大,置入过程中以医学图像3D可视化、VR技术、AR技术作为术中导航,再加上3D打印技术的辅助,能够使个体化内固定模板与特定病例实体骨骼完全匹配,患者的内固定置入将更加精准,还可以有效减少医患在术中放射线暴露的时间,最大程度地提高患者的疗效。此外,骨科手术过程中上述四种方式结合开展的术中导航,还可以为复杂骨折的复位、骨折畸形愈合、矫形截骨的大小及角度等提供有效的帮助。

    脑部肿瘤患者进行放射治疗时,颅骨上需要穿孑L,再将放射性同位素准确地置于颅内病灶位置,手术过程中要保证同位素射线治疗效果好、不伤及正常组织。由于人脑结构复杂,在不打开颅骨的情况下,要达到上述要求难度很大。利用医学图像3D可视化、vR技术、AR技术,就可以在重构出的人脑内部结构i维图像基础上,计算机模拟颅骨穿孔位置、同位素置人通道、安放位置、等剂量线等,设计并筛选最佳方案;手术过程中,亦可以在屏幕上监测整个流程,使医生们做到“心中有数”,大大提高了手术的成功率。

    4.4、提高医患沟通效果医患沟通的关键之处在于能够让患者或患者家属了解、理解医生治疗方案选择的依据,医学图像3D可视化、3D打印、vR技术、AR技术的综合运用将使术前医生与患者的沟通变得更加容易,患者对病情和手术方案的理解程度将会明显提高。医生与患者沟通的很多内容专业性很强,如CT、MRI的检查结果,手术方案的选择依据等,即便医生以很详细的方式与患者沟通介绍,患者的理解程度仍然很低,综合运用上述技术,把患者的病变大小、病变与周围组织和血管的关系以很精确的方式展示在患者面前,不但提高了医生对手术成功的把握度,而且有利于向患者说明规划的手术切除范围、需要规避的血管和手术中的难点,更加有利于提高患者对病情和手术方案的理解程度,增加医患之间的沟通效率,患者对于治疗过程中和手术过程中可能出现的特异性并发症的理解程度将提高,从而可以减少或避免医疗纠纷的发生。

    4.5、远程医疗利用通讯技术、计算机及网络环境,医疗机构之间可以实现CT、MRI、超声等图像数据的远程传送和数据共享,借助医学图像3D可视化、vR技术、AR技术的综合运用,可以实现异地、交互式的指导、检查、诊断、治疗等医疗会诊的内容,最终达到远程放射计划与治疗、远程手术、远程医学培训等远程医疗的目的,这尤其适用于偏远地区的危重患者和战争中伤病员的救治,当地医疗条件无法及时处理时,这种方式将解决患者的一系列就医问题。

    目前,医学图像3D可视化、vR技术、AR技术正向分布式协同可视化的方向发展,分布式协同可视化可以使外科手术专家与现场手术医生之间开展协同交互式操作、分析医学三维模型,完成异地协同手术。由于远程医疗系统中的交互式操作比较复杂,对医学图像3D可视化体绘制和显示有更高的技术要求。具体实施时,可以考虑在并行分布式网络计算构架下,采用服务器一客户机模型结构,使用JAVA、VRML、OpenGL等编程工具来实现基于Web的医学图像3D可视化。分布式协同可视化在远程医疗中的应用实例是TeleInViVo系统,通过支持TCP/IP点对点之间通讯协议,TelelnViVo利用Internet网络环境,对CT、MRI、PET等数据进行实时协同可视化操作,最终达到远程放射计划与治疗、远程手术、远程医学培训等远程医疗的目的。此外,在医学图像3D可视化、VR技术、AR技术等支持下,美国武装部队已经研发出高级创伤救治技术模拟训练系统、天花接种模拟训练系统、胸部创伤救治模拟训练系统、环甲软骨切开术模拟训练系统、VRDemo精神运动技术训练系统,实现了远程医学训练、医学实验等远程医疗的内容。

    5、小结

    随着我国医疗改革的不断深入,医疗科技水平的不断发展,医学图像3D可视化、3D打印、vR技术、AR技术将被更广泛的运用到医学和药学的教育、科研、日常工作当中。目前,我国医学图像3D可视化、3D打印、VR技术、AR技术在医学和药学各领域中的应用尚处于探索过程中,需要建立政府、医疗机构、医务人员、患者等多方参与、共同协作的模式;这不仅能够充分利用现有的医疗资源,打破医疗资源区域的局限性,更能够从医学和药学教育、科研、临床三方面促进精准医疗的发展,进一步建设与完善我国的医疗服务体系。
标签:医学
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