激光三角法在生物医学领域中的若干应用.pdf

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1、书书书 第 30 卷 第 1 期 2006 年 2 月 激 光 技 术 LASER TECHNOLOGY Vol. 30， No. 1 February， 2006 文章编号：1001-3806 （2006） 01-0001-04 激光三角法在生物医学领域中的若干应用 吴剑波， 骆清铭* （华中科技大学 生命科学与技术学院 生物医学工程系， 武汉 430074） 摘要：对激光三角法在生物医学工程中的应用进行了讨论、 分类和总结， 对激光三角法在生物医学领域中的更进一 步应用具有实际指导意义。 关键词：医用光学与生物技术； 生物医学工程； 生物医学测量； 激光三角法； 激光扫描 中图分类号：R3

2、18. 51 文献标识码：A Biomedical applications of laser triangulation WU Jian-bo， LUO Qing-ming （Department of Biomedical Engineering， School of Life Science and Technology， HUST， Wuhan 430074， China） Abstract：With the fast development of the new subject of biomedical optics/ photonics， an investigation int

3、o laser triangulation for its biomedical application is presented by discussing， classifying and summarizing， which will be instructive for the further research and development of laser triangulation in biomedical application. Key words：medical optics and biotechnology； biomedical engineering； biome

4、dical measurement； laser triangulation； laser scanning 作者简介： 吴剑波 （1974-） ， 男， 博士后， 主要从事计算机 视觉、 图像处理、 光电检测等研究。 * 通讯联系人。E-mail： qluo mail. hust. edu. cn 收稿日期： 2004-12-08； 收到修改稿日期： 2005-01-26 引 言 生物医学领域中光学方法的应用受到越来越广泛 的关注， 因而出现了生物医学光学/ 光子学等新兴研究 领域和学科。这些方法主要应用于对生物体、 器官、 组 织甚至细胞、 神经等不同层面的结构和功能信息的获 取， 对于辅

5、助诊断、 辅助医疗以至于揭示生命现象的本 质等都具有重要意义， 如较早出现的 CT （computed tomography） ， 以及如今的近红外功能成像、 数字散斑 成像、 光 学 相 干 断 层 扫 描 （ optical coherence tomo- graphy， OCT） 等。光学技术应用于生物医学还见于各 种基于光学特性的高精度显微镜中， 如激光共聚焦显 微镜等。作为一种经典的获取三维结构信息的方法， 激光三角法以其非接触性、 无损性及其较高的精度而 在生物医学领域中占有一席之地。与其它方法不同， 激 光三角法主要利用其测量原理用于对物体表面三维结 构信息的获取或精确定位上。为

6、了对激光三角法在生 物医学领域中的应用有一个更全面的认识， 从而有利于 更进一步地深入研究， 作者通过对文献的调研， 按照其 用途的不同， 将这些应用进行了分类。下面将分别对其 原理、 应用作较详细的论述， 并对其进行讨论和总结。 1 原 理 激光三角法因其原理简单、 易于实现等特点在许 多领域得以广泛的应用， 如工业制造、 航空测量、 土木 建筑、 生物医疗等。根据其激光投射形状的不同， 分为 光点投影式和光带投影式， 分别表示其投影为单个激 光光斑和一条激光光带。当投影为光带时， 该光带又 被称为片光或者更形象的称为光刀， 其测量方法则被 称为光切法。一般情况下， 激光三角法在获取物体三

7、维表面信息时常采用逐点或逐线扫描的方式以得到整 个面形的信息， 因此又常被称为激光扫描法。 激光三角法作为一种常用的方法， 其基本原理相 当简单， 如图1 所示， 当入射光 I 投射到基准面 M 上的 图 1 激光三角法基本原理 O 点时， 其成像点位于 CCD 靶面的 O， 当 I 受到物体 表面高度 H （x） 的调制后， 其成像点则偏移 x位于 A， 根据图中的三角几何关系可以得到： H = x = s （s/ x） sin + cos （1） 激 光 技 术2006 年 2 月 式中， H 为被测点相对于参考平面的位移量， 为入射 光束与成像光束的夹角， s 为基准点 O的物距， s为

8、基 准点的像距， x为成像屏上像点的位移量。 图 1 中入射光 I 为垂直入射， 称为垂直入射方式。 相应的， 还有斜入射的方式。由于光线的入射与反射 角度， 激光三角法常存在着测量盲区的问题， 也就是遮 挡问题， 在实际应用中常采用对称放置双光源或者双 CCD 的方法来解决。 2 应 用 激光三角法最常见的应用在于工业制造领域， 主 要作为一种测量手段用于对工件表面三维结构信息的 获取或加工中的精确定位上， 例如在逆向工程中， 首先 利用激光三角法对物体表面进行测量， 获得数据后生 成 STL 文件再进行快速成型制造。同样， 在生物医学 领域中， 激光三角法也主要用于表面信息获取和定位。 根

9、据其用途， 将其在生物医学中的应用大致的分为 3 类： 获取表面三维结构信息、 测定生物组织的力学特 性、 在手术和诊断中的精确定位。以下分别对这 3 个 方面的应用进行讨论。 2. 1 表面三维信息的获取 目前， 在生物医学领域中， 可视化技术的应用越来 越广泛， 从结构仿真到功能模拟， 从器官到细胞、 神经 元， 从研究到教育， 从诊断到手术， 所见即所得的可视 化思想体现在各个不同的层面上， 而可视化必须以先 获得物体的实际结构信息为基础。激光三角法作为一 种非接触的、 无创的三维面形结构信息获取方法在生物 医学中也得到长足应用， 使生物医学可视化成为可能。 激光三角法首先被用在获取人体

10、整体或局部的三 维表面信息上。美国 ADDLEMAN 1和荷兰 TNO 人体 特征研究所的 DAANEN 2分别从不同的角度对 Cyber- ware 公司开发的 WB4 三维人体扫描仪进行了讨论， 并 对精度等问题进行了分析。VENEDIKTOV 3用激光 三角法为在整形外科手术中所需的一些假体提供必要 的几何尺寸。JIN 等 4将激光三角法用于口腔修复， 通过对金属全冠桥的蜡型扫描得到全冠桥的三维重建 模型数据， 该数据可直接输入快速成型系统， 直接加工 出树脂或金属全冠桥， 并应用于临床。台北科技大学 的 CHEN 5也设计了自己的系统， 采用双光源、 三 CCD 方式对牙齿模型进行扫描

11、， 用于牙科临床。PAUL 6和 CHA 7也用类似的方法对畸齿矫正问题进行了相关 研究。HARRISO 8用一种简便的激光扫描仪实现对 患者脸部手术后的水肿情况进行监测。WU 9则用回 转扫描的方式将激光三角法用于人体头部的三维重 建。从生物医学研究与教育的角度， RYDMARK 10通 过对头盖骨、 人脑模型以及福尔马林固定的人脑实体 的扫描实验， 对激光三角法获取生物体和器官的三维 表面信息的技术进行了讨论， 对实验得到的点云图数 据用 NURBS 实现三维建模， 并与通过断层扫描方法 （如 CT， MRI 等） 获得的三维模型进行了比较。为了 提高数据获取速度， 以上方法都采用了线扫描

12、的方式。 HSUEH 11则采用点扫描方式实现对牙齿的三维信息 获取以提高测量精度， 用光电方式实现了类似于三坐 标测量机的复杂面形的三维测量， 并且对数据误差、 多 视角融合等问题给出了解决方案。YAMAMOTO 12设 计的系统则不仅用于获取牙齿模型的三维信息， 而且 能对牙齿的磨损、 移动等为临床提供依据。 激光三角法对表面信息的获取还用在对患者伤口 的测量上， 如伤口的面积、 体积等， 用于伤口康复诊断 治疗和研究， 如 KROUSKOP 13投影 16 16 的激光点 阵到伤口表面， 图像采集后通过对图像的处理得到创 伤的面积， 并通过三角法可以得到创伤在深度上的三 维信息， 用于对

13、伤口的发展或者恢复进行监测或对治 疗方案进行评估。MARJANOVIC 14则直接用激光扫 描完成溃疡面的体积测定。这种方法相对于传统的生 理盐水注入法、 贴片法等具有无接触、 无感染等优点。 从以上的应用可知， 激光三角法在生物医学中用 于表面结构三维信息的获取上得到了广泛的关注和实 施， 并取得了良好的效果。图 2 中给出了一个用激光 三角法获取人体面形三维信息的实例 9， 该实验结果 已对所得数据进行了拟合和可视化显示。 图 2 激光三角法用于获取三维表面信息实例 2. 2 生物组织的力学特性测定 从研究角度看， 在医疗或诊断中都需要对一些生 物组织的机械或者力学特性 （如拉伸性能、 压

14、缩性能、 弹性、 震动等） 进行测试与分析。 一般来说， 对生物组织形变的测试都需要离体进 行， 即将组织从生物体上分离出来。对于体内组织， 也 需要将其外部组织剥离， 例如， 对关节软骨等进行测试 时， 需要将软骨从关节中分离开。激光三角法为组织 形变的测量提供了一种有力的工具。美国弗吉尼亚州 立大学的生物医学工程系的 ARAJ 设计了一个系统， 该系统能够无创的对关节表面进行测试， 由此对软骨 特性进行评定 15。系统中用激光三角法对关节表面 的变形进行观察， 通过对变形数据的分析来得到软骨 拉伸性能。其原理可简单描述为： 采用真空泵用微吸 2 第 30 卷 第 1 期吴剑波 激光三角法在

15、生物医学领域中的若干应用 管法给软骨表面施加负压， 用激光三角法观察在负压 情况下软骨表面的变形情况。系统中采用的激光是波 长为 670nm 红色光源， 工作范围为 80mm 15mm， 精 度达到 1m。图 3 中给出的实验结果为在 3 个 30s 间 隔内、 不同负压情况下软骨表面的形变情况， 表明激光 三角法能够较好地实现对软骨表面形变的较高精度的 测量 15。ARAJ 指出， 该方法可用于其它软组织的表 面形变测量上。 图 3 软骨表面形变实验数据图 激光三角法还用于测量一些组织 （如声带等） 的 振动。如瑞典的 MANNEBERG 16即用激光三角法对声 襞在发声过程中垂直方向上的震

16、动情况进行了研究。 2. 3 手术和诊断治疗中的精确定位 在当今的诊断医疗中， 基于图像、 基于模型的计算 机辅助诊断/ 医疗系统日益成为医学界的主流， 如 IGS （image-guided surgery） 等手术导航系统。这些系统都 要求医生在手术前对病人患处的相关信息有相当清晰 的认识和了解， 如肿瘤的尺寸、 具体位置等。目前， 要 得到这些信息一般都通过 CT， MRI 等光学成像的方法 对目标进行断层成像， 而后通过计算机处理得到该部 位的三维模型。在过去， 对于一个经验丰富的手术医 生， 这些信息似乎已经足够他对手术进行安排和实施。 但是在科技飞速发展的今天， 术前资料在手术过程

17、中 已经不足以提供必要信息以指导手术了， 如手术过程 中组织的切除造成的变形、 移动等需要补偿， 人体的移 动则需要重新定位等， 例如， SUN 指出 17， 当前的神经 导航系统面临着两个问题： 一是术前图像与其在手术室 中的位置如何实现自动化的、 稳定的配准， 二是在手术 过程中提供与原图像配准精度相当的脑部变形补偿。 可见， 图像、 模型等在手术过程中的实时更新变得 越来越重要。激光三角法为这种实时更新的需求提供 了一个可靠的工具。MIGA 18等人为了在神经外科手 术中实现对脑皮层表面配准和模型的实时重建， 使用 激光三角法结合图像纹理实时获取手术表面的三维信 息， 再定位以指导更精确

18、的手术。其精度达到亚毫米 级。CASH 19， 20则将该方法应用于肝脏手术中。在国 外， 利用激光三角法对手术导航进行定位已经形成了 一些产品， 如 ACUITY 公司报告说他们的一种产品 AR600 使用激光三角法可以实现手术导航定位。 在对肿瘤等的放射治疗中， 为了对病人的运动、 移 动情况进行实时监控并保证正确的放射剂量的调整， 激光三角法也和 MRI， CT、 超声等其它方法一起用于 病人定位或病人的位移测量 21， 22。图 4 是 MOORE 设 计的用于直肠癌放射治疗中进行病人定位的示意 图 22， 图 4a 为其系统装置图， 投影和成像设备安装于 房顶； 图 4b 是其投影图

19、， 包括条纹投影和激光光斑投 影， 图中亮点即为激光光斑， 通过激光三角法用于准确 的三维定位； 图 4c 则是其得到的病人下腹处三维效果 图。由图可见， MOORE 将激光三角法和干涉条纹投影 相结合用于放射治疗中的三维定位取得了很好的效果。 图 4 激光三角法用于病人定位实例 3 讨论和总结 光学方法的应用成为生物医学领域中的一个新的 研究热点。激光三角法作为一种传统的光学测量方法 在其中也得到了广泛的关注。对激光三角法在生物医 学领域中的应用进行了调研和分类， 大量的应用说明 了其以无接触、 无创和高精度等特点在生物医学领域 中得到了充分的肯定， 也表明了其应用的价值。 从对文献的调研可

20、以看出， 激光三角法不论是用 于表面结构信息的获取上还是用于精确定位上， 有几 个方面的问题将成为将来研究的重点， 也应该引起研 究者的重视。一是在信息获取中速度和精度的统一问 题。在许多应用中都要求实时的获取数据以实现模型 的实时更新， 如何根据研究对象的不同和精度要求的 不同来实现速度和精度的统一问题是必须解决的， 扫 描方式、 投影光模式的不同选择将会导致不同的效果。 二是将激光三角法和其它测量/ 定位方法的集成问题。 在一些应用场合， 由于激光三角法本身也存在一些问 题， 如上面提到的遮挡问题等， 需要将其它方法与其一 起结合使用， 如立体视觉方法、 相位测量法等。三是与 其它医疗仪器

21、的配合使用， 如现在已经相对成熟的 CT， MRI， 以及现有的手术导航系统等。另外， 在调研 中还发现， 以上应用中的一些研究， 比如基于模型的手 术导航系统中的模型实时更新、 放射治疗中病人体位 的精确定位与监控等， 在国外已经得到比较深入的研 究与发展， 有的甚至出现了产品。但是在国内， 医疗和 诊断中采取的还是一些较传统的方法， 而这方面的研 究文献甚少， 这一点也必须引起国内研究者的关注。 参考文献 1 ADDLEMAN S R. Whole-body3-D scanner and scan data report J . Proc SPIE， 1997， 3023： 2 5. 3

22、激 光 技 术2006 年 2 月 2 DAANEN H A， TAYLOR S E， BRUNSMAN M A et al. Absolute accu- racy of cyberware WB4 whole body scannerJ . Proc SPIE， 1997， 3023： 6 12. 3 VENEDIKTOV A Z. The laser triangulation meter for a system of measurement of geometrical parameters of prosthesis of a stump J/ OL . http： / / web

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37、科技交流平台。 2006 年 3 月 21 日至 23 日， 首届 LASER. World of Photonics China （LASER China） 将在上海新国际博览中心隆重开幕。届时将有国内外 100 多家 展商参展， 展会主要分为激光元件、 激光设备两大展区， 覆盖整个激光、 光电子产业链， 展会期间还将举行多场高质量的激光技术国际研讨会。其中 包括： 由德国经济劳工部发起的 “中德企业合作洽谈会” ， 以及与汉诺威激光中心合办的 “中德激光技术的现状、 趋势与发展研讨会” 。 作为德国慕尼黑国际博览集团针对中国市场的又一力作， LASER China 将继承母展 LASER.

38、 World of Photonics 的 “国际化” 特点， 具有同行业其 它展会不可比拟的优势， 其 70%参展商是活跃在全球市场的国际性领先企业。LASER China 还将与第 5 届慕尼黑上海电子展同期同地举办， 与电子 工业这一激光产业的主要应用领域充分互动， 共同打造全球化交流平台和国际性顶级专业盛会。 详情请登录展会官方网站 http： / / www. laserchina. net。 联系人： 王珊珊王德璐 电话： +86-21-50450808电话： +86-21-64378880-109 传真： +86-21-50457937传真： +86-21-64378880-105 邮箱： karen. wang mmi-shanghai. com邮箱： angelawang thundersh. com 4