[发明专利]一种具有生理功能的人体肾脏计算机三维模型构建方法

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实技术和计算机图像处理领域，具体涉及一种具有生理功能的人体肾脏及其微细结构计算机三维模型构建方法。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality)技术是一个由图像技术、传感器技术、计算机技术、多媒体技术、网络技术以及人机交互技术相结合的产物。20世纪90年代以来，计算机科学领域的科研人员越来越多地将研究重点投入到虚拟现实当中，它提供了传统计算机科学与非计算机学科之间进行学科交叉的技术桥梁。进入21世纪，人类利用高性能计算机对人体自身进行研究的步伐逐渐加快，虚拟现实技术以其强大的交互性能和真实的环境再现效果使得这一研究更加具有实用价值，例如将虚拟现实技术应用到人体部位功能恢复训练、辅助外科手术、行为预测与仿真模拟等方面。

虚拟现实技术与生命科学的交叉点在于虚拟人体整体或部分器官功能进行建模与仿真，从而可以对医学研究中难以进行的某些实验进行虚拟实现。随着计算机技术的发展，计算机应用于辅助三维重建技术，建立的三维立体解剖结构可以从任意角度、任意方向上观察，并可以任意切割，为影像诊断和外科手术提供重要的形态学依据。90年代初期，美国National Library of Medicine发起进行可视化人体的计划，1994年，美国科罗拉多大学医学院承担采集任务的第一个男性可视化人体数据集采集完毕，次年，第一个女性可视化人体数据集采集完毕。随后进行的就是根据该数据集进行一系列不同侧重点的研究工作。主要分为单纯基于图像的研究和对图像进行进一步加工利用的研究。单纯对于图像的研究主要是依靠彩色的人体切片图像对CT和MR的图像采集结果进行效果的提升。而研究最多的是对于图像的进一步加工利用，也就是建立三维虚拟人的工作。迄今为止，包括美国、中国、韩国在内的多个国家已建立或正在建立三维虚拟人体模型，这种模型以人体断面连续切片为建模基础，人体断面连续切片满足作为重建数据源的二维图像的连续性、完整性、精确性的要求，而且能够提供更丰富的数据量。目前最先进行虚拟人研究的美、中、韩三国已经相继建立起自己的虚拟人模型，并着手进行下一步的生理人研究计划。

如何利用重建的三维虚拟人体进行更有价值的研究？最佳的途径是使这些模型具有真实的生理功能，最终的目标是代替真实的人体进行各项科学研究实验。人体是由许多具有各自丰富功能的器官组成的，生理人的研究首先需要从各个生理器官着手。目前国际上对骨骼、肌肉、心脏、肝脏等重要的人体结构和器官进行了三维结构的重建以及进行生理仿真实验。对于骨骼、肌肉等主要进行的是力学分析实验，对于肝脏这个人体最重要的代谢器官，主要是进行肝脏结构的重建以及虚拟手术等功能的实验。

本发明所关注的人体器官为肾脏。肾脏是人体主要的排泄器官，用显微镜观察，可见到每一个肾脏主要由约100万个具有相同结构与机能的肾单位和少量结缔组织所组成，其间有大量血管和神经纤维。肾脏的三维重建与其他器官不同，它没有心脏等器官的肌肉组织可以进行力学结构分析，它内部充满了血管并且具有上百万的肾单位。对于肾脏的生理功能研究主要集中于药物在其内部的排泄过程。因此本发明所采用的重建方法不同于原有的人体器官重建技术，而是兼顾肾脏的宏观和微观结构，分步骤进行重建，之后加以整合，并进行生理功能仿真分析。

由此可见，虚拟人数据库的建立只是人类探索虚拟人体的一个开端。它的切片数据可以为后续研究提供精确的人体解剖学依据，作为计算机领域三维模型建立的可靠数据来源。基于生理微细结构水平的虚拟现实技术与人体断面扫描虚拟人数据库之间有很强的互补性。但该领域目前的研究现状是需要考虑切片数据库建立之后如何能被更好地利用，如何做好由“虚拟数字人”向“虚拟生理人”转变的重要工作。利用虚拟现实技术，构建具有生理功能的人体或器官的计算机三维模型被证明是一个合理有意义的研究领域，其中，基于彩色序列图像的三维重建技术是构建计算机三维模型的最有前景的方法之一。

【参考文献】

[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.