專(zhuān)利名稱(chēng)：三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的制作方法
三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)成像和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種三維心臟超聲虛擬 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
普通的內(nèi)窺鏡的存在諸多弊端，如病人因不適應(yīng)內(nèi)窺鏡引起的咳嗽惡心甚至壁穿 孔、出血，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生控制內(nèi)窺鏡在器官中移動(dòng)時(shí)因迷失方向而增加病人的痛苦，以及 內(nèi)窺鏡自身結(jié)構(gòu)原因無(wú)法到達(dá)人體內(nèi)的很多重要部位。虛擬內(nèi)窺鏡是一種非創(chuàng)傷性技術(shù)， 能夠避免普通內(nèi)窺鏡檢查時(shí)給病人帶來(lái)的痛苦，無(wú)出血、穿孔、感染等并發(fā)癥。虛擬內(nèi)窺鏡 可重復(fù)操作，從任意角度和部位反復(fù)觀(guān)察，并可輕易經(jīng)過(guò)狹窄段去觀(guān)察狹窄后的情況。目前 虛擬內(nèi)窺鏡在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要集中在具有空腔結(jié)構(gòu)的器官上，如胃腸道、支氣管、血管、 鼻腔、內(nèi)耳等等。作為近年來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)比較新的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)對(duì)嬰兒復(fù)雜型先天畸形整體 心臟在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中診斷和介入模擬的報(bào)道。這是由于心臟之類(lèi)的器官內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)復(fù) 雜加之存在瓣膜運(yùn)動(dòng)，觀(guān)察者進(jìn)行觀(guān)察和評(píng)價(jià)時(shí)，虛擬內(nèi)窺鏡不僅要提供交互實(shí)時(shí)多角度 觀(guān)察，而且要求虛擬視點(diǎn)位置不斷改變觀(guān)察，對(duì)虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)存在較高的要求。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提供一種三維心臟超聲虛擬 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，以整體心臟的三維超聲顯示方式結(jié)合計(jì)算機(jī)虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)，使醫(yī)生身臨其 境地“進(jìn)入”被檢查患者的心臟內(nèi)部進(jìn)行檢查觀(guān)察。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的一種三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)采集單元，通過(guò)超聲對(duì)心臟進(jìn)行二維圖像數(shù)據(jù)采集；圖像預(yù)處理單元，對(duì)采集到的二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和圖像分割；三維視圖重建單元，對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維視圖重建；導(dǎo)航單元，設(shè)置一虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)，并允許該虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)在重建的三維視圖 中進(jìn)行任意角度的觀(guān)察；以及測(cè)量單元，對(duì)所觀(guān)察的特定部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和分析。所述數(shù)據(jù)采集單元采用全容積法為整體心臟進(jìn)行全容積采樣。所述數(shù)據(jù)采集單元為彩色多普勒超聲心動(dòng)圖儀。所述數(shù)據(jù)采集單元依次采集一組4個(gè)實(shí)時(shí)三維瓜瓣塊后整合成一金字塔型整體 心臟數(shù)據(jù)集。所述數(shù)據(jù)采集單元依次采集一組4個(gè)實(shí)時(shí)三維瓜瓣塊分別為0° 15°、15° 30°、30° 45°、45° 60°。所述整體心臟數(shù)據(jù)集包含了 一個(gè)心動(dòng)周期的數(shù)據(jù)。
所述整體心臟數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)通過(guò)插值和坐標(biāo)變換后按照高度、寬度、深度和時(shí)間 的順序排列并以DIC0M格式保存。所述圖像預(yù)處理單元采用各向異性擴(kuò)散法對(duì)二維圖像進(jìn)行濾波處理。在心臟的心肌輪廓方向使用高擴(kuò)散參數(shù)濾波處理，在輪廓梯度方向使用低擴(kuò)散參 數(shù)濾波處理。所述圖像預(yù)處理單元采用閾值法進(jìn)行圖像分割。所述閾值法設(shè)置灰度閾值和梯度閾值。所述灰度閾值介于0 40之間。作為較佳的實(shí)施方式，所述灰度閾值設(shè)置為20。所述梯度閾值包含第一梯度閾值和第二梯度閾值。所述第一梯度閾值設(shè)置為3，第二梯度閾值設(shè)置為6。所述三維圖像重建單元采用面繪制法和體繪制法對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行 三維可視化重建，虛擬視點(diǎn)移動(dòng)時(shí)采用面繪制法，虛擬視點(diǎn)不移動(dòng)時(shí)采用體繪制法。所述虛擬內(nèi)窺鏡的導(dǎo)航方式分為關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)、自由導(dǎo)航以及指導(dǎo)路徑導(dǎo)航。所述虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)通過(guò)調(diào)整視距和視角在重建的三維視圖中進(jìn)行任意角度的 觀(guān)察。所述虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，三維視圖沿著視線(xiàn)方向前進(jìn)，產(chǎn)生待檢器官組織結(jié) 構(gòu)目標(biāo)不斷靠近觀(guān)察者的放大的多幀圖像。所述導(dǎo)航單元對(duì)虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)經(jīng)過(guò)的路徑保存并進(jìn)行連續(xù)回放。
所述導(dǎo)航單元循環(huán)動(dòng)態(tài)顯示心臟內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。所述測(cè)量單元測(cè)量特定部位的面積、最大徑和最小徑。本發(fā)明的有益效果在于，醫(yī)生可以通過(guò)本發(fā)明在虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬環(huán)境中、計(jì)算機(jī) 的協(xié)助下對(duì)患者心臟進(jìn)行多方位的無(wú)創(chuàng)傷檢查，減輕了病人的痛苦，此外，本發(fā)明也可用于 正式手術(shù)前的模擬手術(shù)中，為心外科醫(yī)師的三維虛擬手術(shù)培訓(xùn)奠定基礎(chǔ)，亦可應(yīng)用于科研 和醫(yī)療教學(xué)中。

圖1為本發(fā)明三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的框圖；圖2為本發(fā)明中全容積采樣方式的數(shù)據(jù)采集示意圖；圖3為本發(fā)明三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的觀(guān)察原理圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例并參照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。如圖1所示，一種三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)采集單元10，通過(guò)超 聲對(duì)心臟進(jìn)行二維圖像數(shù)據(jù)采集；圖像預(yù)處理單元20，對(duì)采集到的二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波 處理和圖像分割；三維視圖重建單元30，對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維視圖重建；導(dǎo) 航單元40，設(shè)置一虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)，并允許該虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)在重建的三維視圖中進(jìn)行任 意角度的觀(guān)察；以及測(cè)量單元50，對(duì)所觀(guān)察的特定部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和分析。此外，三維 心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)還包含中央處理器60。
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如圖2所示，數(shù)據(jù)采集單元10采用全容積法為整體心臟進(jìn)行全容積采樣，全容積 (Full Volume)采樣方式又叫做寬角金字塔樣顯示方法，數(shù)據(jù)采集單元10采用彩色多普勒 超聲心動(dòng)圖儀采樣。數(shù)據(jù)采集單元10依次采集一組4個(gè)實(shí)時(shí)三維瓜瓣塊后整合成一金字 塔型整體心臟數(shù)據(jù)集，一組4個(gè)實(shí)時(shí)三維瓜瓣塊分別為0° 15°、15° 30°、30° 45°、45° 60°。圖2為采樣界面的示意圖，左側(cè)為瓜瓣塊，右側(cè)為彩色多普勒超聲心動(dòng) 圖儀采樣界面。如圖3所示，為本發(fā)明三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的觀(guān)察原理圖。于步驟S101 中，初始二維圖像重排。數(shù)據(jù)采集后整合成金字塔型全容積整體心臟數(shù)據(jù)集，圖像經(jīng)數(shù)字化 后用DIC0M格式存儲(chǔ)至3D硬盤(pán)中。因此DIC0M格式內(nèi)的數(shù)據(jù)已經(jīng)按照實(shí)際數(shù)據(jù)的位置排 列，并且包含了一個(gè)心動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)情況。全容積采樣方式獲取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DICOM(digital image andcommunication on medicine)格式的文件中。DICOM文件是醫(yī)學(xué)影像的專(zhuān)用存儲(chǔ)格式，在CT、核磁共振、超聲 等醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，全容積采集法在DIC0M標(biāo)準(zhǔn)下已經(jīng)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)插值和 坐標(biāo)變換后按照高度(Height)、寬度(Width)、深度(Depth)、時(shí)間(Time)的順序排列存儲(chǔ) 至DIC0M格式的數(shù)據(jù)中，直接將數(shù)據(jù)按時(shí)間分開(kāi)即可，無(wú)需另外重建過(guò)程，其三維體數(shù)據(jù)大 小根據(jù)采集的情況而定。采樣的初始心臟超聲二維圖像含有大量的噪聲，能利用的圖像特征往往因此受到 噪聲的嚴(yán)重干擾，影響觀(guān)察者對(duì)心內(nèi)空間結(jié)構(gòu)的理解，因此對(duì)斑點(diǎn)噪聲的移除是超聲圖像 處理很重要的一步，合適的濾波方法能消除一部分干擾，為更準(zhǔn)確地做出分割提供必要的 前提。從視覺(jué)角度看來(lái)，噪聲在圖像中呈現(xiàn)斑點(diǎn)分布狀。它的形成主要是因?yàn)槌上襁^(guò)程 中超聲波的相互干涉作用，此外還與成像組織表面的粗糙程度有著密切的關(guān)系。醫(yī)學(xué)圖像 去噪技術(shù)是以一般數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，但是醫(yī)學(xué)圖像本身具有自己一些鮮明的特 征，這些特征往往是醫(yī)學(xué)圖像所含有的特殊信息。在對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行去噪處理的時(shí)候必須 盡可能地保留這些特征，這就需要我們研究新的算法，使之在保留一般數(shù)字圖像去噪性能 的基礎(chǔ)上還能滿(mǎn)足醫(yī)學(xué)圖像去噪的特殊要求。以嬰兒心臟為例，由于嬰兒的心臟較小，組織結(jié)構(gòu)緊密，合適的算法可在保留細(xì)節(jié) 信息的同時(shí)又能濾去噪聲，虛擬效果將會(huì)更貼近真實(shí)情況。為顯示幾個(gè)數(shù)據(jù)的三維濾波效 果，選取全容積采集法采樣的小兒實(shí)時(shí)三維圖像的四腔心切面，選擇各向異性擴(kuò)散法對(duì)心 臟圖像進(jìn)行初步濾波處理，在心肌輪廓方向使用高擴(kuò)散參數(shù)和在輪廓梯度方向使用低擴(kuò)散 參數(shù)，對(duì)原始圖像進(jìn)行濾波。由此，可以使濾波后斑點(diǎn)噪聲得到有效的抑制，而重要的信息 (如四腔心結(jié)構(gòu)、房室瓣和房間隔缺損)基本得以保持。對(duì)于超聲心臟圖像而言，可分為兩個(gè)區(qū)域，心肌和心腔。在圖像中灰度值較大的點(diǎn) (白色區(qū)域)為肌肉，灰度值較小的點(diǎn)(黑色區(qū)域)為空腔。所以可以利用數(shù)據(jù)點(diǎn)的灰度來(lái) 設(shè)定灰度閾值。將小于某一個(gè)值的數(shù)據(jù)點(diǎn)認(rèn)為是心腔，將不透明度值設(shè)為0 ；將大于某一個(gè) 值的點(diǎn)認(rèn)為是心肌，將不透明度值設(shè)為1?；谔荻乳撝档膱D像分割是利用邊界點(diǎn)的梯度信息進(jìn)行分割的方法，由于心肌和 心腔兩個(gè)區(qū)域之間圖像的梯度值較大，而相同區(qū)域內(nèi)梯度值較小，所以可以用梯度對(duì)灰度 閾值的分類(lèi)效果進(jìn)行改進(jìn)。采樣梯度對(duì)心腔區(qū)域圖像分割，梯度乘子小，相乘后的值也小，繪制的結(jié)果仍然是空腔；在心肌或心血管與心腔交界的表面區(qū)域，梯度乘子較大，繪制結(jié)果 將在梯度邊界區(qū)域予以加強(qiáng)。對(duì)于每個(gè)點(diǎn)，分別取得它的灰度閾值和梯度閾值，將他們對(duì)應(yīng) 的分段函數(shù)的值相乘，得到該點(diǎn)的不透明度值，然后進(jìn)行疊加得到最終的圖像。圖像分割是指區(qū)分相鄰組織結(jié)構(gòu)特征的過(guò)程，由于實(shí)際的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)集提供的 斷層切片圖像除了包含特定組織外，還包含了其它的信息，必須將特定的組織、器官分割出 來(lái)才能實(shí)現(xiàn)重建。將醫(yī)學(xué)圖像中有特殊含義的不同區(qū)域分開(kāi)是獲得單個(gè)器官對(duì)象的關(guān)鍵 步驟，圖像分割是醫(yī)學(xué)圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)，是正常組織和病變組織的三維可視化、手術(shù)模 擬、手術(shù)導(dǎo)航等后繼操作的基礎(chǔ)，也是制約醫(yī)學(xué)圖像處理其他相關(guān)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵 技術(shù)。只有對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分割才能正確地進(jìn)行三維重建，精確的、可重復(fù)的和自動(dòng) 的分割是圖像分割的最高目標(biāo)，要做到在線(xiàn)動(dòng)態(tài)地獲取和融合具有變化形狀和位置的活體 器官和組織的圖像，必須開(kāi)發(fā)功能更強(qiáng)大的算法，通過(guò)圖像分割把感興趣區(qū)域正確提取并 顯示，為臨床診斷和治療提供可靠的依據(jù)。閾值法是最常見(jiàn)的一種圖像分割方法，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單計(jì)算代價(jià)小且速度快，但需 要選擇合適的灰度閾值和梯度閾值。三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)的值對(duì)應(yīng)二維圖像中的灰度 值，由于體繪制方法能夠在最大程度上保留圖像的細(xì)節(jié)部分，所以灰度閾值的選擇不宜過(guò) 大，僅需要將明顯是心腔部分的數(shù)據(jù)設(shè)為0即可。為了在顯示中將空腔和肌肉區(qū)分開(kāi)，可以 設(shè)定灰度閾值在20左右，超出閾值部分認(rèn)定為心臟肌肉不透明度值較大，小于閾值區(qū)域認(rèn) 定為空腔，不透明度值較小可以設(shè)為零?；叶乳撝挡灰顺^(guò)40，否則會(huì)導(dǎo)致細(xì)節(jié)處遺漏，或 者顯示出“偽空腔”。另外梯度閾值也不宜過(guò)大，由于超聲圖像邊界不清晰，所以邊界梯度不 會(huì)很大。雖然梯度閾值會(huì)導(dǎo)致肌肉內(nèi)部的顯示出現(xiàn)半透明的情況，但這一部分并不影響觀(guān) 察者對(duì)于患者病情的判斷。本發(fā)明中采用了閾值法對(duì)超聲圖像進(jìn)行分割，但閾值的取值有上限，不能過(guò)大，閾 值越大，越容易出現(xiàn)“偽空腔”。第一梯度閾值和第二梯度閾值分別取3和6對(duì)圖像分割效 果較好。于步驟S102中進(jìn)行三維視圖重建。虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)應(yīng)用于分析診斷，對(duì)成像質(zhì)量 要求較高，最終目標(biāo)是達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示和交互操作的要求，對(duì)三維超聲圖像繪制研究表 明，面繪制與體繪制顯示的綜合利用將提高虛擬內(nèi)窺鏡的觀(guān)察效果。在虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)導(dǎo) 航時(shí)可采用面繪制方法，成像快速圖像清晰，在視點(diǎn)位置不移動(dòng)時(shí)可采用體繪制方法，體繪 制可以顯示細(xì)微的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，這樣對(duì)感興趣區(qū)域可以提供更加豐富和精確的信息，使觀(guān) 察者得到更加滿(mǎn)意的視野觀(guān)察效果。于步驟S103中進(jìn)行虛擬視點(diǎn)定位。感興趣區(qū)域(region-of-interest R0I)是操 作者選擇的觀(guān)察區(qū)域范圍，通過(guò)圖像切割對(duì)每一幀斷層像上R0I以?xún)?nèi)所有區(qū)域進(jìn)行圖像分 析，R0I以外區(qū)域在導(dǎo)航時(shí)將不列入可視化范圍。根據(jù)心臟結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合Van Praagh“節(jié)段分析法”，感興趣區(qū)域設(shè)定三個(gè)， 分別為房室瓣區(qū)域、房室間隔區(qū)域和主、肺動(dòng)脈區(qū)域。R0I范圍根據(jù)觀(guān)察對(duì)象決定，其中房室 瓣區(qū)域、房室間隔區(qū)域R0I選擇宜大，主、肺動(dòng)脈區(qū)域R0I選擇宜小。通過(guò)步驟S104 S106不斷對(duì)虛擬視點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，于步驟S107中進(jìn)行心內(nèi)任意角 度觀(guān)察。對(duì)R0I內(nèi)觀(guān)察對(duì)象三維重建后，通過(guò)調(diào)整視距(拖動(dòng)鼠標(biāo)右鍵)及調(diào)整視線(xiàn)方向 (拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵)，并置感興趣的心內(nèi)結(jié)構(gòu)于可視化顯示窗中心(拖動(dòng)鼠標(biāo)中鍵)，鍵盤(pán)操作
7與人工導(dǎo)航結(jié)合使三維重建圖像沿著視線(xiàn)方向前進(jìn)，產(chǎn)生被觀(guān)察心內(nèi)結(jié)構(gòu)目標(biāo)不斷靠近觀(guān) 察者和放大的多幀圖像，并可從任意角度觀(guān)察和在任意部位“漫游”。最后將觀(guān)察過(guò)程以動(dòng) 畫(huà)形式保存，連續(xù)回放即可獲得類(lèi)似纖維內(nèi)鏡進(jìn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向直視觀(guān)察效果的動(dòng)態(tài)重建圖像。檢查心臟房室瓣區(qū)域時(shí)，模擬手術(shù)路徑，從心房向心室方向三維顯示，或從心尖向 心房方向觀(guān)察，視點(diǎn)可從房室腔內(nèi)任意點(diǎn)開(kāi)始漫游，通過(guò)變動(dòng)視距、調(diào)整視角，對(duì)視點(diǎn)前方 房室瓣組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，完整地觀(guān)察房室瓣形態(tài)和活動(dòng)情況，對(duì)二尖瓣、三尖 瓣瓣環(huán)和瓣下結(jié)構(gòu)及周?chē)揉徑Y(jié)構(gòu)的空間關(guān)系。檢查心臟房室間隔區(qū)域時(shí)，視點(diǎn)定位于房、室間隔的兩側(cè)，視線(xiàn)與間隔組織或垂直 正視或成夾角側(cè)面觀(guān)察，如三維顯示有間隔缺損，視點(diǎn)可通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)右鍵和鍵盤(pán)控制向 缺損方向移動(dòng)，觀(guān)察缺損的解剖位置、形態(tài)、大小及與周?chē)M織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，當(dāng)視點(diǎn)快速推 進(jìn)穿過(guò)缺損區(qū)域到達(dá)間隔的另一側(cè)后，可反轉(zhuǎn)視點(diǎn)，改變視距、視角后進(jìn)一步觀(guān)察間隔缺損 及相鄰組織的空間結(jié)構(gòu)。檢查心臟大動(dòng)脈區(qū)域時(shí)，以大動(dòng)脈與心室連接處R0I為中心，視點(diǎn)位于心室腔內(nèi) 向主、肺動(dòng)脈觀(guān)察，顯示大動(dòng)脈與心室的空間位置關(guān)系，實(shí)時(shí)顯示主、肺動(dòng)脈瓣瓣膜的活動(dòng) 情況。對(duì)主動(dòng)脈騎跨病例，視點(diǎn)移動(dòng)至大動(dòng)脈內(nèi)，在大動(dòng)脈根部向心室腔方向觀(guān)察，顯示大 動(dòng)脈騎跨室間隔的比例，觀(guān)察室間隔缺損的解剖位置。三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡的診斷路徑采用Van Praagh的先天性心臟病分段診斷 概念，將心臟分為心房、心室和大動(dòng)脈三段進(jìn)行分析診斷。虛擬觀(guān)察視點(diǎn)首先分別進(jìn)入右心房和左心房，從不同角度對(duì)房間隔區(qū)域觀(guān)察， 對(duì)感興趣的心內(nèi)結(jié)構(gòu)通過(guò)控制鼠標(biāo)鍵改變觀(guān)察的角度和視距，判斷有無(wú)房隔缺損。診斷 ASD(atrial septal defect房間隔缺損)者，視點(diǎn)從右心房通過(guò)ASD到達(dá)左心房，觀(guān)察左心 房心內(nèi)結(jié)構(gòu)。虛擬視點(diǎn)漫游在房室瓣區(qū)域時(shí)，在心房側(cè)動(dòng)態(tài)“俯視”觀(guān)察房室瓣的運(yùn)動(dòng)、附著情 況及解剖形態(tài)，通過(guò)計(jì)算機(jī)人工導(dǎo)航，仿真內(nèi)窺鏡穿越房室連接區(qū)域，然后視點(diǎn)調(diào)頭“仰視” 觀(guān)察房室瓣區(qū)域組織結(jié)構(gòu)活動(dòng)，判定房室瓣，確定房室序列；接著視點(diǎn)轉(zhuǎn)向房室間隔區(qū)域， 觀(guān)察周?chē)馄式Y(jié)構(gòu)，判斷有無(wú)室間隔缺損。對(duì)大動(dòng)脈區(qū)域的觀(guān)察，視點(diǎn)置于大動(dòng)脈與心室連接處的室隔側(cè)或大動(dòng)脈內(nèi)側(cè)，以 大動(dòng)脈長(zhǎng)軸為視線(xiàn)方向，人工導(dǎo)航視點(diǎn)，調(diào)整視距和視角觀(guān)察主動(dòng)脈或肺動(dòng)脈瓣運(yùn)動(dòng)，判斷 大動(dòng)脈與心室的連接關(guān)系。此外，虛擬內(nèi)窺鏡的導(dǎo)航方式分為關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)、自由導(dǎo)航以及指導(dǎo)路徑導(dǎo)航。虛擬 內(nèi)窺鏡視點(diǎn)通過(guò)調(diào)整視距和視角在重建的三維視圖中進(jìn)行任意角度的觀(guān)察。導(dǎo)航單元對(duì)虛 擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)經(jīng)過(guò)的路徑保存并進(jìn)行連續(xù)回放，且導(dǎo)航單元可循環(huán)動(dòng)態(tài)顯示心臟內(nèi)部組織 結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。測(cè)量單元測(cè)量特定部位的面積、最大徑和最小徑。心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡心內(nèi)診斷不僅能應(yīng)用到臨床醫(yī)療，其診斷和測(cè)量功能還有望 應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療。遠(yuǎn)程醫(yī)療是近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)科研性醫(yī)療項(xiàng)目， 利用通訊技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種醫(yī)學(xué)信息的遠(yuǎn)程采集、傳輸、處理、 存儲(chǔ)和查詢(xún)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)心臟超聲圖像數(shù)據(jù)進(jìn) 行遠(yuǎn)程傳送和數(shù)據(jù)共享，經(jīng)重建后的三維圖像可以使遠(yuǎn)程操作者“漫游”在患者“心臟內(nèi)”從 任意角度觀(guān)察心腔內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)，對(duì)心內(nèi)畸形部位進(jìn)行診斷和定量分析。
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以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，包含數(shù)據(jù)采集單元，通過(guò)超聲對(duì)心臟進(jìn)行二維圖像數(shù)據(jù)采集；圖像預(yù)處理單元，對(duì)采集到的二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和圖像分割；三維視圖重建單元，對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維視圖重建；導(dǎo)航單元，設(shè)置一虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)，并允許該虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)在重建的三維視圖中進(jìn)行任意角度的觀(guān)察；以及測(cè)量單元，對(duì)所觀(guān)察的特定部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集 單元采用全容積法為整體心臟進(jìn)行全容積采樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集 單元為彩色多普勒超聲心動(dòng)圖儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集 單元依次采集一組4個(gè)實(shí)時(shí)三維瓜瓣塊后整合成一金字塔型整體心臟數(shù)據(jù)集。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集 單元依次采集一組4個(gè)實(shí)時(shí)三維瓜瓣塊分別為0° 15°、15° 30°、30° 45°、 45° 60°。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述整體心臟 數(shù)據(jù)集包含了 一個(gè)心動(dòng)周期的數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述整體心臟 數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)通過(guò)插值和坐標(biāo)變換后按照高度、寬度、深度和時(shí)間的順序排列并以DICOM 格式保存。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像預(yù)處 理單元采用各向異性擴(kuò)散法對(duì)二維圖像進(jìn)行濾波處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，在心臟的心肌 輪廓方向使用高擴(kuò)散參數(shù)濾波處理，在輪廓梯度方向使用低擴(kuò)散參數(shù)濾波處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像預(yù)處 理單元采用閾值法進(jìn)行圖像分割。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述閾值法設(shè) 置灰度閾值和梯度閾值。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述灰度閾 值介于0 40之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述灰度閾 值設(shè)置為20。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述梯度閾 值包含第一梯度閾值和第二梯度閾值。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述第一梯 度閾值設(shè)置為3，第二梯度閾值設(shè)置為6。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述三維圖像 重建單元采用面繪制法和體繪制法對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化重建，虛擬視點(diǎn)移動(dòng)時(shí)采用面繪制法，虛擬視點(diǎn)不移動(dòng)時(shí)采用體繪制法。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述虛擬內(nèi)窺 鏡的導(dǎo)航方式分為關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)、自由導(dǎo)航以及指導(dǎo)路徑導(dǎo)航。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述虛擬內(nèi)窺 鏡視點(diǎn)通過(guò)調(diào)整視距和視角在重建的三維視圖中進(jìn)行任意角度的觀(guān)察。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述虛擬內(nèi)窺 鏡視點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，三維視圖沿著視線(xiàn)方向前進(jìn)，產(chǎn)生待檢器官組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)不斷靠近觀(guān)察者 的放大的多幀圖像。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)航單元 對(duì)虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)經(jīng)過(guò)的路徑保存并進(jìn)行連續(xù)回放。
21.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)航單元 循環(huán)動(dòng)態(tài)顯示心臟內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量單元 測(cè)量特定部位的面積、最大徑和最小徑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)采集單元，通過(guò)超聲對(duì)心臟進(jìn)行二維圖像數(shù)據(jù)采集；圖像預(yù)處理單元，對(duì)采集到的二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和圖像分割；三維視圖重建單元，對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維視圖重建；導(dǎo)航單元，設(shè)置一虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)，并允許該虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)在重建的三維視圖中進(jìn)行任意角度的觀(guān)察；以及測(cè)量單元，對(duì)所觀(guān)察的特定部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和分析。通過(guò)本發(fā)明，觀(guān)察者可以在模擬環(huán)境中對(duì)患者心臟進(jìn)行多方位的無(wú)創(chuàng)傷檢查，本發(fā)明廣泛適用于醫(yī)療、實(shí)驗(yàn)以及教學(xué)。
文檔編號(hào)A61B1/00GK101849813SQ20091004861
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者余建國(guó), 孫錕, 王威琪, 薛海虹, 陳濱津 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院;上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心;復(fù)旦大學(xué)