張晗

心腦血管是人體血管中的最典型代表，心腦血管疾病是當(dāng)前影響人類健康最主要的疾病之一。結(jié)合信息科學(xué)與生命科學(xué)特點(diǎn)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)最新科技方法對(duì)血管的研究，是近年來該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該領(lǐng)域的研究進(jìn)展和技術(shù)突破，對(duì)臨床醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、病癥統(tǒng)計(jì)學(xué)及預(yù)防學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展將帶來重要的影響。由于心腦血管在人體組織中所占比例低，血管成像灰度不均勻，形態(tài)復(fù)雜且個(gè)體差異性大，細(xì)小血管間多存在纏繞和遮擋，使得對(duì)心腦血管的可視化成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中的重要問題，也成為心腦血管醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的最大障礙。北京師范大學(xué)周明全教授自2000年以來，帶領(lǐng)科研項(xiàng)目組團(tuán)結(jié)一致，在心腦血管可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究領(lǐng)域取得了斐然的成績(jī)，為祖國(guó)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。

開拓創(chuàng)新，打破技術(shù)瓶頸

據(jù)統(tǒng)計(jì)，腦血管疾病是全世界導(dǎo)致人類死亡的主要疾病之一，因此對(duì)其早期預(yù)防及治療極為重要。通過影像技術(shù)進(jìn)行無創(chuàng)傷腦血管病變的檢測(cè)，是一種有效的診斷和監(jiān)測(cè)腦血管疾病的方法，也是最能被人所接受而不會(huì)產(chǎn)生副作用的技術(shù)，它可以在整個(gè)治療過程中使用監(jiān)測(cè)治療效果。精確描述腦血管對(duì)疾病診斷和定性分析十分重要，但通常對(duì)血管疾病的診斷，醫(yī)生往往是通過對(duì)儀器屏幕圖像或膠片進(jìn)行肉眼觀察，憑個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和診斷。由于診斷時(shí)易遺漏某些細(xì)微變化，而且受不同醫(yī)師間及同一醫(yī)師間的閱片差異的影響，其診斷結(jié)論往往帶有較多的主觀成分。而計(jì)算機(jī)對(duì)于糾正這些錯(cuò)誤和不足具有巨大的優(yōu)勢(shì)。因此，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來輔助醫(yī)生準(zhǔn)確觀察和診斷，是一個(gè)亟待解決的問題。

自2000年開始，北京師范大學(xué)周明全教授項(xiàng)目組相繼在國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后基金、國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金與北京科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)的支持下開展了人體可視化與虛擬內(nèi)窺項(xiàng)目研究，研究歷時(shí)十五年。這期間，不僅使國(guó)內(nèi)可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與國(guó)際上此領(lǐng)域研究同步，并率先在國(guó)內(nèi)開展數(shù)字化頭顱新技術(shù)研究，由鼻腔內(nèi)窺問題引入，面向心腦血管可視化、模型分析與內(nèi)窺的相應(yīng)問題，取得了理論方法、支撐技術(shù)、領(lǐng)域應(yīng)用等一系列研究成果。

據(jù)了解，傳統(tǒng)的三維診斷是通過轉(zhuǎn)化成圖像的方式進(jìn)行的，其觀察的角度和方位都會(huì)受到圖像的影響。周明全教授帶領(lǐng)項(xiàng)目組研究的心腦血管可視化技術(shù)是針對(duì)人體心腦血管的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。通過對(duì)數(shù)字化的醫(yī)學(xué)影像的智能處理、數(shù)據(jù)分析、三維建模、數(shù)據(jù)可視化，虛擬現(xiàn)實(shí)，以充分呈現(xiàn)人體血管的形態(tài)特征，方便醫(yī)生洞察醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、科研、臨床，達(dá)到對(duì)疾病診斷、病灶檢測(cè)、輔助治療的作用。

另外，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，項(xiàng)目組的研究意義進(jìn)一步得到證實(shí)。周教授介紹說，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用該虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)只要用掃描設(shè)備就可以在電腦里構(gòu)造一個(gè)筋骨分明的、逼真立體的“數(shù)字病灶”，醫(yī)生便可分析病灶的情況，在虛擬環(huán)境下監(jiān)測(cè)、診斷以及尋找最佳的手術(shù)路徑，以降低風(fēng)險(xiǎn)。

在研究過程中，周教授帶領(lǐng)項(xiàng)目組將具體的研究工作分為三階段。

第一階段：2000年以來，在國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持下，在國(guó)內(nèi)率先展開了人體的數(shù)字化頭顱可視化及分析研究。通過CT和MRI獲取人體的影像信息，實(shí)現(xiàn)了活體腦數(shù)據(jù)的獲取及測(cè)量分析，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)解剖。通過圖形學(xué)方式實(shí)現(xiàn)腦部組織的可視化，是國(guó)內(nèi)最早從事虛擬內(nèi)窺鏡和人體可視化的團(tuán)隊(duì)。中央電視臺(tái)2003年在《科技博覽》欄目，以“虛擬內(nèi)窺鏡”為題進(jìn)行了報(bào)道。

第二階段：周明全教授主持的863項(xiàng)目和北京市自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目。研究突破了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡中組織不易進(jìn)入（如面向檢測(cè)的腦血管）和不可進(jìn)入（如心血管），病灶組織不宜接觸和不可接觸（如管內(nèi)斑塊，可能脫落、出血），組織不容易觀察等缺陷，將數(shù)字醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和計(jì)算機(jī)可視化新方法引入到心腦血管數(shù)據(jù)采集和分析過程，提出心腦血管虛擬內(nèi)窺研究體系。

第三階段：以周明全教授主持的國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目為標(biāo)志，通過解剖學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)與信息學(xué)科的交叉，定性定量地分析心腦血管形態(tài)規(guī)律，極大地提高了心腦血管醫(yī)學(xué)診斷的客觀性和有效性，最終形成了心腦血管虛擬內(nèi)窺研究的科學(xué)體系。

銳意進(jìn)取，成果豐碩

通過項(xiàng)目組成員的通力合作，目前他們已經(jīng)在可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究領(lǐng)域取得了可喜的成績(jī)，完成了關(guān)于腦血管分割表示等多項(xiàng)重要工作。他們?cè)谘芯炕陧?xiàng)目組武仲科教授提出的球B樣條的腦血管模型基礎(chǔ)上，探討了三維腦血管樹狀表示模型，血管分割和三維模型重建，三維腦血管模型可視化，虛擬內(nèi)窺導(dǎo)航以及上述功能如何在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中使用等一系列問題。具體成果包括：

1.構(gòu)造腦血管形態(tài)分割研究體系。對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，形成了基于形變的腦血管分割模型和基于統(tǒng)計(jì)的腦血管分割模型，構(gòu)造了腦血管形態(tài)分割研究體系。研究了基于參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法、基于Level Set方法的區(qū)域活動(dòng)輪廓模型法、基于雙高斯模型的參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法、基于高斯-Gibbs場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)模型與基于參數(shù)模型和統(tǒng)計(jì)模型融合的方法。

2.形成了腦血管球B樣條表示，重構(gòu)模型。面向腦血管的管狀物構(gòu)造問題，提出了一種基于球B樣條的血管網(wǎng)絡(luò)表示模型，應(yīng)用修正梯度矢量流場(chǎng)構(gòu)造達(dá)血管分支的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采取通過最小化能量曲線半徑函數(shù)構(gòu)造球體半徑，最終用球B樣條曲線重構(gòu)出血管的集合信息。此模型可用較少的數(shù)據(jù)集表示，對(duì)于類似血管樹的復(fù)雜模型可實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算及靈活操作。

3.基于GPU加速腦血管體繪制技術(shù)。在腦血管三維模型重構(gòu)之后，研究了模型的實(shí)時(shí)高質(zhì)量繪制和模型任意方位的實(shí)時(shí)交互解剖，能夠獲取完整而精確的任意剖面數(shù)據(jù)。利用光線投射法，由GPU的CUDA的線程模型結(jié)構(gòu)組織管理，實(shí)現(xiàn)并行加速。完成表行的血管體繪制和表意的血管體繪制。

4.虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航。在上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合面繪制和體繪制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維虛擬環(huán)境下腦血管的交互漫游和自主漫游。

利用上述技術(shù)，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了腦血管模型的三維可視化及虛擬內(nèi)窺導(dǎo)航系統(tǒng)與虛擬人體解剖系統(tǒng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)腦血管疾病的診斷、醫(yī)療方案的制定和治療過程中的監(jiān)測(cè)以及腦血管疾病的教學(xué)和培訓(xùn)。項(xiàng)目的多年研究成果中，完成了腦血管重構(gòu)分析和VR環(huán)境下人體解剖兩個(gè)系統(tǒng)，與醫(yī)院相關(guān)科室開展合作，實(shí)現(xiàn)了百余套醫(yī)院數(shù)據(jù)的系統(tǒng)測(cè)試和檢測(cè)。不僅大大提高了醫(yī)生診斷的準(zhǔn)確性和實(shí)效性，還為醫(yī)學(xué)院校的輔助教學(xué)提供了極大的便利，讓學(xué)生能夠更加直觀的理解教學(xué)內(nèi)容。

產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，助力祖國(guó)醫(yī)學(xué)事業(yè)

任何一項(xiàng)科研成果的研究過程都會(huì)經(jīng)歷諸多難題，在周明全教授項(xiàng)目組的研究過程中，最大的難題就是數(shù)據(jù)處理難度大，因?yàn)槊總€(gè)患者的病情成像條件不同，在清晰度和噪聲處理方面遇到各種干擾因素，為此，項(xiàng)目組王醒策老師研究了混合統(tǒng)計(jì)模型圖像分割技術(shù)，最大限度的保障了圖像的真實(shí)性。另外在腦血管中心線提取等方面也都遇到過很多難題，但該項(xiàng)目組不畏艱難、精誠合作，通過每周的學(xué)術(shù)討論和專家講座等方式，不斷吸取國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和理念，全身心的投入科學(xué)研究，不斷解決著一個(gè)個(gè)難題。

同時(shí)，為了盡快將這一高新技術(shù)應(yīng)用于臨床實(shí)踐，項(xiàng)目組與解放軍304醫(yī)院及北京協(xié)和醫(yī)院合作，將信息科學(xué)與醫(yī)學(xué)結(jié)合，通過可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來輔助醫(yī)生觀察和診斷血管，對(duì)心腦血管疾病的預(yù)防與治療有重要作用。2014年12月14日，在北京師范大學(xué)科技樓B座11層VR會(huì)議室召開了《心腦血管虛擬內(nèi)窺研發(fā)與培育》項(xiàng)目產(chǎn)品規(guī)劃論證會(huì)，與會(huì)的有科技管理專家、信息化專家、醫(yī)學(xué)影像專家及醫(yī)學(xué)專家。專家組聽取了項(xiàng)目組的總結(jié)匯報(bào)，觀看了系統(tǒng)的運(yùn)行演示，審查了相關(guān)技術(shù)資料，對(duì)有關(guān)問題進(jìn)行了質(zhì)詢。專家組認(rèn)為：該項(xiàng)目具有創(chuàng)新性，技術(shù)先進(jìn)，應(yīng)用平臺(tái)功能較強(qiáng)。該項(xiàng)成果對(duì)北京市心腦血管防治和相關(guān)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

該項(xiàng)研究運(yùn)用信息技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)影像的智能處理，更真實(shí)的呈現(xiàn)了人體血管的三維形態(tài)特征，可以預(yù)見，該項(xiàng)目研究成果可廣泛而有效的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、科研、臨床，其研究意義重大，必將為我國(guó)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大的科技支撐。