[發明專利]一種具有生理功能的人體腎臟計算機三維模型構建方法

無效

• 申請號: 200910146383.2
• 申請日: 2009-06-22
• 公開（公告）號: CN101582172A
• 公開（公告）日: 2009-11-18
• 發明（設計）人: 李小寧;石杰;曹艷娟;陳安進;陳戈
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學;青島市市立醫院
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于虛擬現實技術和計算機圖像處理領域，具體涉及一種具有生理功能的人體腎臟及其微細結構計算機三維模型構建方法。

背景技術

虛擬現實(Virtual?Reality)技術是一個由圖像技術、傳感器技術、計算機技術、多媒體技術、網絡技術以及人機交互技術相結合的產物。20世紀90年代以來，計算機科學領域的科研人員越來越多地將研究重點投入到虛擬現實當中，它提供了傳統計算機科學與非計算機學科之間進行學科交叉的技術橋梁。進入21世紀，人類利用高性能計算機對人體自身進行研究的步伐逐漸加快，虛擬現實技術以其強大的交互性能和真實的環境再現效果使得這一研究更加具有實用價值，例如將虛擬現實技術應用到人體部位功能恢復訓練、輔助外科手術、行為預測與仿真模擬等方面。

虛擬現實技術與生命科學的交叉點在于虛擬人體整體或部分器官功能進行建模與仿真，從而可以對醫學研究中難以進行的某些實驗進行虛擬實現。隨著計算機技術的發展，計算機應用于輔助三維重建技術，建立的三維立體解剖結構可以從任意角度、任意方向上觀察，并可以任意切割，為影像診斷和外科手術提供重要的形態學依據。90年代初期，美國National?Library?of?Medicine發起進行可視化人體的計劃，1994年，美國科羅拉多大學醫學院承擔采集任務的第一個男性可視化人體數據集采集完畢，次年，第一個女性可視化人體數據集采集完畢。隨后進行的就是根據該數據集進行一系列不同側重點的研究工作。主要分為單純基于圖像的研究和對圖像進行進一步加工利用的研究。單純對于圖像的研究主要是依靠彩色的人體切片圖像對CT和MR的圖像采集結果進行效果的提升。而研究最多的是對于圖像的進一步加工利用，也就是建立三維虛擬人的工作。迄今為止，包括美國、中國、韓國在內的多個國家已建立或正在建立三維虛擬人體模型，這種模型以人體斷面連續切片為建模基礎，人體斷面連續切片滿足作為重建數據源的二維圖像的連續性、完整性、精確性的要求，而且能夠提供更豐富的數據量。目前最先進行虛擬人研究的美、中、韓三國已經相繼建立起自己的虛擬人模型，并著手進行下一步的生理人研究計劃。

如何利用重建的三維虛擬人體進行更有價值的研究？最佳的途徑是使這些模型具有真實的生理功能，最終的目標是代替真實的人體進行各項科學研究實驗。人體是由許多具有各自豐富功能的器官組成的，生理人的研究首先需要從各個生理器官著手。目前國際上對骨骼、肌肉、心臟、肝臟等重要的人體結構和器官進行了三維結構的重建以及進行生理仿真實驗。對于骨骼、肌肉等主要進行的是力學分析實驗，對于肝臟這個人體最重要的代謝器官，主要是進行肝臟結構的重建以及虛擬手術等功能的實驗。

本發明所關注的人體器官為腎臟。腎臟是人體主要的排泄器官，用顯微鏡觀察，可見到每一個腎臟主要由約100萬個具有相同結構與機能的腎單位和少量結締組織所組成，其間有大量血管和神經纖維。腎臟的三維重建與其他器官不同，它沒有心臟等器官的肌肉組織可以進行力學結構分析，它內部充滿了血管并且具有上百萬的腎單位。對于腎臟的生理功能研究主要集中于藥物在其內部的排泄過程。因此本發明所采用的重建方法不同于原有的人體器官重建技術，而是兼顧腎臟的宏觀和微觀結構，分步驟進行重建，之后加以整合，并進行生理功能仿真分析。

由此可見，虛擬人數據庫的建立只是人類探索虛擬人體的一個開端。它的切片數據可以為后續研究提供精確的人體解剖學依據，作為計算機領域三維模型建立的可靠數據來源。基于生理微細結構水平的虛擬現實技術與人體斷面掃描虛擬人數據庫之間有很強的互補性。但該領域目前的研究現狀是需要考慮切片數據庫建立之后如何能被更好地利用，如何做好由“虛擬數字人”向“虛擬生理人”轉變的重要工作。利用虛擬現實技術，構建具有生理功能的人體或器官的計算機三維模型被證明是一個合理有意義的研究領域，其中，基于彩色序列圖像的三維重建技術是構建計算機三維模型的最有前景的方法之一。

【參考文獻】

[1]Noakes?KF，Bissett?IP，Pullan?AJ，and?Cheng?LK.Anatomically?realistic?three-dimensional?meshes?of?thepelvic?floor&anal?canal?for?finite?element?analysis.Ann?Biomed?Eng?36：1060-1071，2008.