基于裸眼3D技术的医学检测成像系统的设计

基于裸眼3D技术的医学检测成像系统的设计

成若梅 ,牛志颖 ,刘雨 ,苗俊涛 ,巩梦瑶

山东协和学院 济南 250107

摘要：着技术的革新及国家对3D产业的扶持逐年提高，裸眼3D日渐成熟，将是下一代显示的飞跃。本设计可以通过计算机仿真基元图像生成过程，并将基元图像显示在二维平面显示器上，配合基元图像的计算方法以实现动态重现。医生可以决定手术器械的入口和路径，以避免损伤周围的高风险结构。

关键词：裸眼3D；仿真渲染；医学检测

引言

医疗器具设计的好坏直接关系到它能否起到治病救人、能否安全有效,好的器具操作明确、外观感受良好、使用者不易疲劳,尽量避免产品给人产生的笨重、粗糙、冰冷的感觉,缓解大型医疗设备给患者带来的恐惧感,使患者感到安心和放心,让操作者感到贴心且实惠,并易于安装、维护和清洁。裸眼3D医学检测成像系统就是为了解决这类问题。

1技术基础

裸眼3D显示技术，也被称之为“裸眼多视点”技术，即不同佩戴任何工具就能够实现左右眼的视觉影像差异，也就是说人的两只眼睛在观看显示屏幕的时候，左右眼所观看到的画面具有视差和区别，并将其直接反馈到大脑之中去，进而形成立体感受。裸眼3D显示技术其实就运用眼球的视觉差异原理，通过给左右眼传送不同的画面，实现立体的视觉效果。裸眼3D可以不用佩戴专门的眼镜因此使用的场所十分的丰富，并且便捷。当然裸眼3D效果也存在一定的缺陷，人在观看的时候需要在既定的范围内才能够感受到立体画面，若距离较远则3D效果不明显，太近则会产生头晕和恶心的问题。

本设计可以通过计算机仿真基元图像生成过程，并将基元图像显示在二维平面显示器上，配合基元图像的计算方法以实现动态重现。医生可以决定手术器械的入口和路径，以避免损伤周围的高风险结构。同时，辅助进行注册。结合患者术前医学图像选择不同的注册方法，完成术前医学图像与实际患者的统一。直观的人性化友好界面能够为医生提供可视化引导。

2 MIMIC S+超级链接转换系统

Mimics即为Materialise's interactive medical image control system。Mimics软件功能，可以用CT机和MRI机三维彩超的断层图像进行三维重建，输出为通用的三维格式，进行三维打印、科研、医疗、有限元分析等应用。广泛应用于临床、生物医学工程、材料工程等领域。扩展了三维数据的运用范围。

它可以的帮助医学工作者处理患者的医学图像，并且处理的图像比较清晰；而且软件还可以进行模仿三维医学的图像进行的分隔，将患者的图像进行三维模仿等；软件了MRI、三维超声、MRI等图像的模仿。

通过导入DICOM，JPEG，TIFF，BMP，X射线或原始图像数据的创建3D模型，执行的解剖分析；几乎模拟手术导出的用于3D分析，FEA网格划分，设计或3D打印的3D模型，使用分析原理促进复杂的解剖学测量评估肿瘤的大小或肿瘤的复杂性并调查并跟踪手术的结果；预测用于手术的板和螺钉的正确尺寸，检查软骨的厚度用于测量和分析进一步统计分析

3高分辨率实时立体全像渲染技术

手术场景发生变化时，引导影像需实现实时渲染，以进行同步更新。然而，立体全像渲染过程包含大量的计算，为保证渲染速度符合临床需求，使用基于图形处理器（GPU）并行加速的立体全像渲染流程 ，使用商用级 GPU 便可实现高分辨率实时立体全像渲染。

系统具有200亿个像素/秒的像素填充率，三角形生成速率超过100万个/秒，贴图分辨256X256~4096X4096，可进行上千万个三角面以及大型（高分辨率）纹理贴图的三维场景实时渲染，较同类计算机图形学算法提升50%。

当患者、手术器械与导航装置移动时，立体全像导航信息需实现同步更新，这时需要术中实时精确空间定位系统。然而，微创手术感兴趣区域小，因此如何实现狭窄空间下器械的有效追踪亟需解决。传统的光学空间定位主要基于近红外光(例POLARIS,Northern Digital Inc)和可见光(例MicronTracker, Claron Technology Inc)完成。同时为检测出整个手术器械在空间的姿态变换，需要在器械上安装三个或三个以上能够保证空间自由度的标记物。因此，其空间设计和安装复杂且空间体积较大，在一定程度上影响手术操作。

在精细手术中，引导影像应具有很高的分辨率，保证医生能够分辨微小重要组织。然而，立体全像的分辨率受基元图像分辨率和透镜阵列密度限制。这里我们提出了一个高效灵活的基于光学透镜的高分辨率实时立体全像系统。此系统由光学透镜组成，放置于观察者与立体全像之间。此系统能实现立体全像几何尺寸的缩小，同时保持影像的像素数，从而提高影像像素密度，提高立体全像单位体积内的分辨率。与此同时，为补偿透镜成像中存在的光学畸变，我们还提出了立体全像预畸变校正算法。通过仿真或实验标定的方法确定透镜的光学畸变模型，并在立体全像渲染过程中将光学畸变考虑在内，补偿光学元件畸变对成像精度的影响，以满足临床安全对立体全像分辨率的需求。

4仿真基元图像计算

通过计算机仿真基元图像生成过程，并将基元图像显示在二维平面显示器上，配合基元图像的计算方法以实现动态重现。

通过加入MIMICS的基础功能和计算机图形学三角形基元双线性插值算法，实现三角形光栅化，寻找三顶点的包围矩形，只对该矩形内进行候选像素执行循环，寻找三角形的重心，利用重心，进行三角形光栅化。

5系统设计方案

通过实时扫描，运用我们的核心技术基元算法成立体图像，然后采用高分辨率的实时图像渲染增强仿真，并且通过定位系统在手术过程中实时跟踪检测手术器械位置。通过精确的三维影像叠加融合显示，解决手眼协调问题。

6小结

裸眼3D医学检测成像系统还没有正式投入到医学应用中。相信在未来，在这个科技大发展的时代背景下，裸眼3D医学检测成像系统将为医疗技术提供便捷。

参考文献

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[5]于丽.合成全息三维立体投影方法的研究[D].中国海洋大学,2013.

指导老师：宋艳芳、颜安  山东协和学院