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裸眼3D,让医学影像更立体
2020-03-18 11:03
来源:人民日报
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  裸眼3D,就是在不需要任何辅助设备的情况下,用人眼直接获得具有空间、深度的逼真立体影像。早在100多年前,人们便用光栅或透镜的方式将影像分别投影到空中。但这种方式存在一些局限,因为它形成的图像并不是完整的信息,只是让人产生视觉上的视差,通过这种视差合成为三维的影像。直到上世纪90年代,得益于计算机及相关技术的发展,科研人员将这一技术拓宽到立体影像的采集、重建和显示中,实现了立体影像的裸眼观察,并应用到不同的领域。

  在医疗领域,从任何一个角度都可以看到像实物一样的信息尤为重要。目前的医学影像大多为断层图像或三维重建图像,仍通过普通的2D平面显示器呈现,无法直接呈现复杂而精细的完整“三维人体地图”。同时,手术中还存在着手眼协调问题。医生在进行微创手术时,无法直接看到人体内部的情况,需要参考医学影像信息做出诊疗的判断决策。医生在操作时,需要在医学影像显示器与手术区域间反复切换视线,造成时间浪费,甚至有可能导致手术的失误。

  增强现实或虚拟现实技术的运用,可以有效解决上述问题,把精细的“三维人体地图”叠加显示在手术区域中。然而,基于头戴式显示器或立体手术显微镜的双目立体引导手术,需要医生佩戴眼镜等附加装置,观察的便捷性和舒适性与观察自然物体相比有所下降。此外,基于双目视觉原理重建出立体场景的空间尺寸,会随观察者的不同而变化,从原理上无法恢复与真实物体尺寸相同的立体影像。因此,上述技术对成像精度要求较高的应用存在一定局限。在这方面,国内外尚无成熟的真三维立体影像手术导航商用产品问世。

  裸眼三维医学立体全像技术由此应运而生。该技术是一种用光在空中重构物体的裸眼立体成像方法,利用微透镜阵列对光的定向调制作用,使用一个二维显示器与一个微透镜阵列的紧凑显示系统即可重现真三维全真彩色影像。这项技术在微创手术中将为医生提供更丰富的信息。

  为了更好地将这一技术运用在临床上,科研人员开发出基于立体全像技术的新型空间透视融合导航。该技术相当于为医生增加了一双透视眼,巧妙利用光学器件和空间结构设计,将裸眼三维医学影像和实际病人完全融合显示,实现增强现实的直观手术引导。这样一来,医生便可以直接看着手术区域进行操作,被外部皮肤、骨骼遮挡的内部器官病灶一目了然,解决了医生手眼协调问题。同时,便于医生直接抵达病灶进行治疗,避免手术操作对其他重要生理结构的损伤,从而缩短手术时间,提高手术的精确性和安全性。目前,这项技术已在骨科、脑外科、颌面外科等领域进行了充分的理论与应用研究,形成了系统的解决方案框架。

  裸眼三维新技术领域的科研工作者正朝着将成像距离变得更长、角度变得更宽、清晰度变得更高的目标而努力。随着相关技术的不断发展和成熟,相信裸眼3D技术还将被推广到教育、娱乐、传媒、工业等各个领域。(作者为清华大学医学院生物医学工程系教授 廖洪恩)

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