未来3D技术在数字医疗领域的应用

图1 3D电影《阿凡达》

图2 3D 电视机/3D 显示器

图3 3D 脑功能DTI 图像显示

图4 3D 重建影像显示

图5 3D 脑功能影像融合显示

　　3D立体显示及其图像视觉舒适度与健康评价标准研究(简称3D健康标准研究)，已经成为影响当前国际国内3D立体显示及其图像视觉技术与产业(简称3D技术产业)快速健康发展和各行业应用的主要热点问题和瓶颈问题，目前各国都十分关注，并作为战略性3D新兴产业技术的制高点进行重点研发。本文概述了开展进行此类研究的重要意义，我国开展此项研究的目标任务和研究水平状况，以及在未来3D数字医疗领域中的可能应用等。

一 3D 立体显示与图像视觉技术产品的概念

　　本文所述 3D 立体显示是指True Three-Dimensional or Stereoscopic Display;立体图像视觉即 3D Stereo Image Vision。3D 立体显示与图像视觉技术产品目前主要有：

　　(1) 前端采集 — 3D摄影，3D 扫描/容积成像;

　　(2) 中间处理 — 3D 内容制作，3D影像处理及融合，增强虚拟现实;

　　(3) 显示终端 — 3D立体显示器/立体电视机 (液晶、等离子体、投影、全息等);

　　(4) 观视方式 — 配立体眼镜 ( 液晶开关、偏振片 )、裸眼。

二 3D 健康标准研究的需求和价值

　　1. 3D 立体显示技术及其产业的发展

　　目前，3D 立体显示及其图像视觉技术在各行业 ( 包括医疗行业 ) 得到快速应用和发展。3D立体电影《阿凡达》在全球的热映, 极大地刺激了立体显示技术的发展和应用, 世界各国相关研发机构及厂家纷纷推出最新的立体显示技术成果，如 3D 立体电视机/立体显示器( 液晶、等离子体等，包括配戴眼镜、裸眼两种观视方式 )、3D 成像摄影及3D 内容制作、3D 眼镜 ( 液晶快门/偏振眼镜) 等。世界最大的医用显示器制造商巴可公司也在研发和推出新一代2D/3D 双模医用显示器。现在，3D立体显示技术及其产品已经相继进入影院、家庭，以及医疗、工业设计、军事等各种领域。

　　3D立体显示及观视行为再现了人的自然的立体视觉行为，比2D 平面显示有了较大的性能提高。据预测，未来五年内别是中国市场，将成为世界上主要的3D显示技术产品的战略竞争市场。3D立体显示技术市场巨大，应用十分广泛，并将成为继 2D 液晶和高清技术之后的又一个战略性新兴产业技术，各国( 如，全球 3D 立体显示技术产品综合市场额将超过1200亿美元。消费类市场和各行业应用 ( 包括数字医疗等行业应用 ) 的3D 立体显示技术产品等需求正迎来井喷盛况。欧美和亚洲市场，特日本、韩国、美国、欧盟和中国等 ) 近来都已经将其列入国家科技发展战略竞争规划和区域创新型高技术园区的发展规划。在十二五规划中，我国科技部及有关省市也已明确了发展 3D新兴产业技术及其相关的数字医疗工程技术的战略目标。

　　3D 立体显示技术及其产业的发展，必将有力推动 3D数字医疗及视觉科学的快速发展。例如， 眼科立体视觉诊疗;3D医学成像及其影像学中关于实体肿瘤的 3D立体显示、测量与空间立体定位诊疗评估;利用 3D 立体显示技术可以检测立体视，眼科专家就能利用立体视的调节集合机制防治近视眼，等等。3D 立体显示技术( 如2D/3D 双模式平面/立体显示器、笔记本、图形工作站等) 不仅要面向所有医学工作者普及应用，而且还将大量地应用于 3D 医学成像显示与观察诊断、数字化导航手术、数字化微创介入手术、医学教育的各种手术培训的模拟器，以及数字化手术室、远程医疗等，它必将改变现代数字医疗工程技术的面貌，促进医疗健康领域的发展。目前，3D立体显示技术及其产业，在国内已开始起步并正快速发展和应用。

　　2. 3D 健康标准的现状

　　为了促进3D 立体显示技术及其应用持续快速和健康地发展，以保障亿万人群的立体视觉健康，必须尽快启动并开展 3D健康标准的项目研究，突破瓶颈制约，尽早建立我国乃至国际 3D立体显示与视觉技术产品的相关立体视觉健康标准。

　　尽管目前 3D立体显示与图像视觉技术及其成果应用得到了超出预期的快速发展，但它所带来的健康隐患也不容忽视，并引起了3D研发界、企业界，以及政府和社会各界的高度重视。3D立体显示与图像视觉跟医学健康领域密切相关，特别是与双眼视、脑融合功能相关。现阶段，3D产品的成像原理基本上是利用视差原理，这就不可避免地造成了人眼调节与辐辏的不匹配。当视差超过一定范围后，人眼就会产生明显的不适，并且脑部也不能将双眼的成像进行很好地融合，引起头晕、头痛等不良症状，应设法将此影响减小至允许的可接受程度。

　　3D 立体显示与图像视觉技术的发展是一个产业链式的发展，从立体成像摄影、内容制作到终端显示, 再到最后的消费者和专业使用工作者(如医生等)观看，任何一个环节缺乏行业标准，都会对消费者和使用者的视觉观视造成健康隐患。国内外多家新闻报道，在《阿凡达》立体电影的观看过程中，15%~30% 的观众有不同程度的视疲劳、头晕、头痛，甚至呕吐。据台湾媒体报道，有观众看《阿凡达》后诱发了青光眼。北京同仁医院眼科研究所眼科门诊发现，戴立体眼镜后，眼部交叉感染和患结膜炎的患者增多;另外，也发现脑功能成像有助于检测分析和解释立体图像视觉疲劳等临床现象。美国加州大学伯克利分校的研究指出，佩戴立体眼镜会令眼睛过劳，还可能导致头痛和视力模糊;研究还指出，年龄差异对上述的症状也会有较大影响。美国眼科专家对观看3D 电影造成的脑部不适提出预警，指出这正是3D 特效全新视觉冲击对有些人的“副作用”。日本松下电器公司最近已赞助美国加州大学下属的科技中心，启动开展有关3D显示副作用的深度研究。

　　迄今为止，令人窘迫的是，国际国内始终没有一个对 3D立体显示技术的舒适度与对人类视觉健康影响的系统性评估研究。3D 研发与制造厂家目前还拿不出充足的、合理的、科学的、经过视觉健康评测的立体显示技术产品，只能在获取利益和社会责任之间走中间路线，批量试销立体显示与图像视觉产品，政府及监管机构也没有统一的方法和标准去检测这些新型产品，看它们是否真正满足规范的视觉健康要求。因此，目前迫切需要眼科专家、脑功能检测专家、标准化专家、3D立体显示技术研发机构及厂家联合，尽早研究制定一个国际国内公认的3D立体视觉健康标准及其评价测试方法等标准体系，并贯穿于整个3D立体显示与图像视觉技术与产品的产业链当中，全程指导3D立体显示与图像视觉技术的研发、生产质量和安全使用，确保百姓和医学工作者在观看3D显示内容时具备视觉健康保障。

　　另外，最新的裸眼观视真3D显示与图像视觉技术目前尚处于研发和早期应用阶段，对于真3D立体显示与图像视觉产品的舒适度评价的系统性研究，国际国内也尚未见报道。

　　由此可见，非常有必要在中国尽快组织开展并建立关于3D立体显示与图像视觉技术与产品的立体视觉舒适度与健康评价标准，以形成3D健康标准检测公共服务平台。此项研究课题具有重大的国际国内创新和具有很高的理论实用价值，是影响亿万民众立体视觉健康和万亿立体显示与图像视觉技术产业与各行业应用快速发展的重大课题，其影响作用和意义十分深远。

三 现有工作基础及对应的课题研究

　　2011年5月，中国立体视像(3D)产业联盟完成《全球3D技术专利布局报告》。该报告检索整理国内外近2万件相关专利文献，收集了目前全球公开的3D专利，覆盖立体信息的采集、立体影像的制作、立体影像的显示、立体技术的应用等热点技术，对中国、美国、日本、欧洲等重点市场进行着重分析，并从2万件专利中精选出当前最新研究成果——200件重点专利。但是研究发现，虽然中、日、韩一些机构(如北京同仁医院北京市眼科研究所、日本松下电器公司、日本国立先进科技研究所、三星公司等)都曾开展过相关的一些局部的健康技术评测研究，目前国际国内尚缺乏涉及系统性的3D立体视觉健康评价标准及其检测方法，特别是裸眼显示的3D立体视觉健康评价标准及其检测方法，以及把眼科立体视觉生理与脑功能磁共振影像判定结合起来的科技文献和专利。而各国研究机构也都在加快研究当中。截止目前，各国(主要是日、韩、美、欧盟和中国)对此项3D视觉健康技术研究水平基本在同一起跑线上，研究尚不成熟，系统性也不够，相比之下我国某些地方还稍稍占先。本项目课题研究的提出和尽早完成将打破这种局面，将首次系统性的进行立体显示与图像视觉技术的舒适度与健康评价标准研究。

　　对此，我国应抓住机遇，尽早研究，加快提出此项目领域的涉及3D视觉健康的系统性评价测试方法等专利技术申请，做原始创新，占据主动，适时提出我国国家/行业3D视觉健康技术标准、以及新的国际标准提案，争取国际话语权，促进我国及国际3D立体显示与图像视觉技术及其产业快速和健康发展，以及在3D数字医疗等领域的各行业应用。

　　2007年10月，本文第一作者邱学军在国内立体图像技术及其应用研讨会上作“数字化重建人体立体X线透视图研究”报告时，首次在国内提出关于立体图像要考虑人的观视因素和健康影响问题，初步提出关于立体图像视觉的相关医学评价的研究构思;2004年7月在全国虚拟现实可视化会议上作“数字化虚拟中国人体三维影像后处理研究图例”的学术报告中和2009年5月在国内立体图象学术研讨会上作“三维数字医学人体应用研究及展望”报告中，邱学军又提出了关于3D立体视觉评价与人类工效学标准研究展望。2009年11月在上海C3D WORLD国际立体视像论坛会议上，邱学军代表中国电子视像行业协会中国立体视像产业联盟(C3D联盟)3D数字医疗专业委员会(简称C3D-3DDM)，首次在国际会议上正式提出并宣布我国C3D-3DDM组织开展关于“立体显示产品的舒适度与健康评价课题”的系统性研究计划，并得到了中国电子视像行业协会及C3D联盟的积极支持，同时写入了C3D-3DDM的工作章程。

　　2010年2月，与北京同仁医院北京市眼科研究所所长徐亮教授、中国标准化研究院时任质量所副所长郑兆红教授等十几位专家，在承担单位-北京大恒医疗设备有限公司会议室召开了课题组正式筹备成立专家见面会，并对课题研究的目标、主要研究内容、技术路线、研究进程和合作方式等进行了研究讨论。2010年5月，由C3D-3DDM与北京同仁医院北京市眼科研究所合作，共同组织推动对目前国际国内主流3D立体显示技术产品的健康技术评测活动;2010年8月，开始具体实施，对友达光电3D立体显示器、海信3D电视机等进行3D健康技术标准评测研究;2010年10月，申请北京市科委科技支撑课题，即“立体显示技术的舒适度与健康评价研究”之初步探索性课题，并获得了北京市科委、北京生物技术和新医药产业促进中心的支持立项。

　　2011年6月，本文第一作者邱学军依托所在单位即中科院北京大恒医疗设备有限公司，联合国内多家优势单位，即北京同仁医院北京市眼科研究所、(国家质量监督检验检疫总局)中国标准化研究院、国家工业和信息化部电子工业标准化研究所(简称CESI，电子四所)、北京大学(包括北京大学肿瘤物理诊疗技术研究中心、北京海思威科技有限公司、北京大学数字媒体所等)、南京航空航天大学、华中科技大学等，向国家科技部申请社会发展科技类项目需求入库课题，即“基于眼科生理和脑功能检测的立体图像视觉舒适度与健康评价标准研究”课题，并于11月通过立项评审。该课题得到了国家科技部、中国生物技术发展中心、医疗器械创新技术产业战略联盟等的大力支持，其立项研究将极大地促进我国在此项标准研究中的领先地位和我国战略性3D新兴技术产业的快速健康发展及其各行业的应用。

　　2010年6月26日，本课题组联合中国立体视像产业联盟3D数字医疗专业委员会(C3D-3DDM)，在科技部、工业和信息化部、中国电子视像行业协会中国立体视像产业联盟(C3D)、北京市科委和北京生物技术和新医药产业促进中心等大力关心指导下，在课题依托单位的实际支持下，在北京举办了“首届中国3D技术与健康高峰论坛”，来自日本、韩国、美欧和中国多家大中型立体企业、高等院所研究机构和应用代表参加了会议，并做了报告。2011年8月26日在北京又举办了“第二届中国3D技术、产业与健康高峰论坛”，均取得了令人瞩目的实际效果，显著促进了国际国内3D技术产业的健康发展。

四 3D健康标准研究课题的主要目标

　　主要研究目标及任务就是：面向当前国际国内3D立体显示与图像视觉技术的发展热点和前沿，围绕亿万民众对立体视觉健康的迫切需要，以培育和促进我国3D立体显示与图像视觉这一重大战略性新兴技术产业的快速、健康的发展为出发点，在未来一段时间内，从眼科立体视觉生理、脑功能影像及脑电生物信息变化等多种检测方法和关联分析入手，也即开展目前国际国内空白的具有原始创新价值的基于立体图像视觉刺激的眼科生理研究、以及脑功能磁共振成像(fMRI)和脑电图检测(EEG)等结合研究(也即确保基于立体图像视觉刺激的脑功能检测在时间分辨率和空间分辨率的结合研究)，最终研究提出基于眼科生理和脑功能检测的立体图像视觉舒适度与健康评价标准研究成果，并形成具有较高影响力的国家/行业3D健康技术标准，并适时提出相关国际标准提案。同时从组织上，实行“产、学、研、用、检”五个方面密切结合，协作创新，合力攻关，即联合在国际国内具有优势的眼科立体视觉生理、脑功能及分子成像多模态分析、脑电生物信号检测、以及立体显示与图像视觉标准化检测研究和研数字医疗发等单位及相关专家，尽快整合研究出研发成果。

　　3D健康标准课题研究采用分类评价、样本测试/检验和临床验证的方法，也即：分类选择具有代表性的3D立体显示与图像视觉技术产品(如3D立体显示器/3D电视机，3D眼镜等)，并对这些现有产品的技术标准进行多方面的主观、客观的舒适度与健康方面评价，包括进行国际国内质量安全标准对照分析、以及一定样本量的测试/检验和临床验证等研究。

五 未来3D数字医疗领域的应用

　　国际国内3D数字医疗未来将有新的发展，主要体现在：3D立体X线机及其3D图像显示诊断，3D功能成像及多模态影像显示与诊断，医用3D立体显微成像系统， 3D影像引导治疗，3D立体手术和3D医学教学与培训等(包括有关外科手术实施过程的实时3D拍摄记录与教学等)。

　　因此，有必要通过本课题的3D健康标准研究，促进广大国内医疗企业及研究机构提前布局3D立体显示及图像视觉技术在数字医疗领域的实例应用研究和开发，优先选择具有代表性的技术产品进行研发，并对实例应用效果进行评价总结，提出立体显示技术产品应用于数字医疗领域所须关注的质量保证要求，便于未来总结推广和产业化应用。