裸眼3D,讓醫學影像更立體

廖洪恩

2020年03月18日08:28  來源:人民網-人民日報
 

  裸眼3D,就是在不需要任何輔助設備的情況下,用人眼直接獲得具有空間、深度的逼真立體影像。早在100多年前,人們便用光柵或透鏡的方式將影像分別投影到空中。但這種方式存在一些局限,因為它形成的圖像並不是完整的信息,只是讓人產生視覺上的視差,通過這種視差合成為三維的影像。直到上世紀90年代,得益於計算機及相關技術的發展,科研人員將這一技術拓寬到立體影像的採集、重建和顯示中,實現了立體影像的裸眼觀察,並應用到不同的領域。

  在醫療領域,從任何一個角度都可以看到像實物一樣的信息尤為重要。目前的醫學影像大多為斷層圖像或三維重建圖像,仍通過普通的2D平面顯示器呈現,無法直接呈現復雜而精細的完整“三維人體地圖”。同時,手術中還存在著手眼協調問題。醫生在進行微創手術時,無法直接看到人體內部的情況,需要參考醫學影像信息做出診療的判斷決策。醫生在操作時,需要在醫學影像顯示器與手術區域間反復切換視線,造成時間浪費,甚至有可能導致手術的失誤。

  增強現實或虛擬現實技術的運用,可以有效解決上述問題,把精細的“三維人體地圖”疊加顯示在手術區域中。然而,基於頭戴式顯示器或立體手術顯微鏡的雙目立體引導手術,需要醫生佩戴眼鏡等附加裝置,觀察的便捷性和舒適性與觀察自然物體相比有所下降。此外,基於雙目視覺原理重建出立體場景的空間尺寸,會隨觀察者的不同而變化,從原理上無法恢復與真實物體尺寸相同的立體影像。因此,上述技術對成像精度要求較高的應用存在一定局限。在這方面,國內外尚無成熟的真三維立體影像手術導航商用產品問世。

  裸眼三維醫學立體全像技術由此應運而生。該技術是一種用光在空中重構物體的裸眼立體成像方法,利用微透鏡陣列對光的定向調制作用,使用一個二維顯示器與一個微透鏡陣列的緊湊顯示系統即可重現真三維全真彩色影像。這項技術在微創手術中將為醫生提供更豐富的信息。

  為了更好地將這一技術運用在臨床上,科研人員開發出基於立體全像技術的新型空間透視融合導航。該技術相當於為醫生增加了一雙透視眼,巧妙利用光學器件和空間結構設計,將裸眼三維醫學影像和實際病人完全融合顯示,實現增強現實的直觀手術引導。這樣一來,醫生便可以直接看著手術區域進行操作,被外部皮膚、骨骼遮擋的內部器官病灶一目了然,解決了醫生手眼協調問題。同時,便於醫生直接抵達病灶進行治療,避免手術操作對其他重要生理結構的損傷,從而縮短手術時間,提高手術的精確性和安全性。目前,這項技術已在骨科、腦外科、頜面外科等領域進行了充分的理論與應用研究,形成了系統的解決方案框架。

  裸眼三維新技術領域的科研工作者正朝著將成像距離變得更長、角度變得更寬、清晰度變得更高的目標而努力。隨著相關技術的不斷發展和成熟,相信裸眼3D技術還將被推廣到教育、娛樂、傳媒、工業等各個領域。

  (作者為清華大學醫學院生物醫學工程系教授)  


  《 人民日報 》( 2020年03月18日 17 版)

(責編:易瀟、畢磊)