專利名稱：基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種醫(yī)學(xué)圖像處理及應(yīng)用領(lǐng)域的方法，具體地說(shuō)，是一種基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法。
背景技術(shù)：
虛擬內(nèi)窺鏡通過CT或者M(jìn)RI技術(shù)獲得病人圖像數(shù)據(jù)，然后利用三維重建技術(shù)從二維數(shù)據(jù)建立起三維圖像并實(shí)現(xiàn)可視化。它還可以結(jié)合圖像分割技術(shù)，虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航技術(shù)，從各個(gè)不同角度，提供立體、交互式的三維瀏覽，使得醫(yī)生能充分挖掘圖像數(shù)據(jù)中的各種信息，大大提高診斷治療的精確性和便利性。虛擬導(dǎo)航是醫(yī)生利用虛擬內(nèi)窺鏡觀察三維圖像的主要方式，一般存在兩種方法手工導(dǎo)航和自動(dòng)導(dǎo)航。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，張惠，舒華忠，Pascal Haigron等在《交互式虛擬內(nèi)窺鏡》(中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2002，7(1)36-43)一文中提到交互式虛擬內(nèi)窺鏡算法，它在繪制方面結(jié)合了面繪制和體繪制效果，在導(dǎo)航方法上主要采用手工導(dǎo)航，同時(shí)可以通過手工選取關(guān)鍵點(diǎn)插值生成路徑。手工導(dǎo)航過程中，醫(yī)生通過操作界面自由決定虛擬鏡頭的位置和方向，引導(dǎo)虛擬鏡頭按預(yù)想的路徑飛行。手工導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是給予醫(yī)生較大的參與度，醫(yī)生可自由選擇跳過一些區(qū)域或在感興趣的區(qū)域滯留以便仔細(xì)觀察，其缺點(diǎn)是控制難度大，醫(yī)生使用不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法，使其將手工導(dǎo)航和自動(dòng)導(dǎo)航有機(jī)結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，它基于自動(dòng)生成的路徑飛行，同時(shí)醫(yī)生在任何時(shí)刻可以停止自動(dòng)飛行，將虛擬鏡頭的控制權(quán)返回給醫(yī)生，從而既方便了醫(yī)生使用，又提供了有效的交互功能。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟1.通過手工路徑制定方法或自動(dòng)路徑生成方法獲得虛擬導(dǎo)航的飛行路徑
虛擬導(dǎo)航的飛行路徑是自動(dòng)導(dǎo)航中虛擬鏡頭飛行的軌跡，是自動(dòng)導(dǎo)航的前提。所述的手工路徑制定方法是自由移動(dòng)虛擬鏡頭，并在移動(dòng)過程中記錄下若干關(guān)鍵點(diǎn)處的鏡頭位置，在得到關(guān)鍵點(diǎn)序列后，利用三次樣條進(jìn)行插值求取飛行路經(jīng)。所述的自動(dòng)路徑生成是利用中間線生成算法計(jì)算出的3D結(jié)腸道的中間線作為飛行路徑。中間線自動(dòng)生成是求取腸道中間線以供導(dǎo)航的過程。
所述的中間線生成算法，包括2個(gè)步驟歐幾里得距離變換和Dijkstra最短路徑。歐幾里得距離變換求取任意像素點(diǎn)到邊緣的最近距離(Distance FromBoundary--DFB)，然后以1/DFB為權(quán)重，利用Dijkstra算法求得從起始像素點(diǎn)S到任意其它像素點(diǎn)的最短路徑，從S到終點(diǎn)E的路徑即為所求中心線。
2.手工導(dǎo)航和自動(dòng)導(dǎo)航有機(jī)結(jié)合以自動(dòng)導(dǎo)航為基礎(chǔ)，隨時(shí)停止自動(dòng)路徑飛行，重新取得對(duì)虛擬鏡頭的控制，這樣就可以在任何感興趣的區(qū)域滯留下來(lái)手工調(diào)整鏡頭以作多方位多角度的觀察，然后重新激活自動(dòng)路徑飛行，虛擬鏡頭將從原來(lái)被停止的位置繼續(xù)飛行，完成導(dǎo)航。
手工導(dǎo)航和自動(dòng)導(dǎo)航有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)交互式自動(dòng)導(dǎo)航。導(dǎo)航是控制虛擬鏡頭瀏覽圖像的過程，一個(gè)好的導(dǎo)航方法是系統(tǒng)高效和實(shí)用的關(guān)鍵。所述的手工導(dǎo)航，是指直接控制鏡頭的位置和方向，不需要預(yù)先制定飛行路徑，通過滑動(dòng)條改變虛擬鏡頭的上下和左右的方向，并改變鏡頭在該方向上的位置。所述的自動(dòng)導(dǎo)航，是指虛擬鏡頭將沿著預(yù)先制定的飛行路徑自動(dòng)飛行，飛行期間，屏蔽任何交互操作。
本發(fā)明將上述導(dǎo)航方法有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新的交互式自動(dòng)導(dǎo)航。此外，本方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)切片的動(dòng)態(tài)控制。為了在導(dǎo)航過程中提供更多的診斷信息，還提供三個(gè)動(dòng)態(tài)的切片圖像，它們的方向飛別垂直于X軸、Y軸和Z軸，在導(dǎo)航過程中將動(dòng)態(tài)追蹤虛擬鏡頭的位置，展示鏡頭處的圖像信息，并在各自切片上動(dòng)態(tài)標(biāo)記虛擬鏡頭的位置。
本發(fā)明使用了一個(gè)錐形體代表虛擬內(nèi)窺鏡頭，醫(yī)生可以直觀地觀察到虛擬內(nèi)窺鏡的實(shí)時(shí)位置和方向并進(jìn)行控制。該方法的一個(gè)重要特征是在虛擬導(dǎo)航方面有機(jī)結(jié)合了自動(dòng)化和交互式的各自優(yōu)點(diǎn)，控制方式多樣、方便而且有效。
具體實(shí)施例方式
1.三維重建三維重建技術(shù)將讀入的原始數(shù)據(jù)(二維切片數(shù)據(jù))重建出三維圖像得過程，在本發(fā)明中，醫(yī)療數(shù)據(jù)主要是CT切片序列。一個(gè)典型的腹部結(jié)腸數(shù)據(jù)的切片大小為512*512，共有500片左右(切片間距為1.0mm)，三維重建過程就是將這些連續(xù)的切片序列重建成一個(gè)3D體數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的DICOM數(shù)據(jù)讀入類為vtkDICOMImageReader，該類讀入一片片CT數(shù)據(jù)，輸出一個(gè)3D的vtk格式圖像數(shù)據(jù)。
2.數(shù)據(jù)分割從整個(gè)數(shù)據(jù)中分割出感興趣的部分(如結(jié)腸)，這不但能顯著減小處理的數(shù)據(jù)量，而且為以后自動(dòng)生成導(dǎo)航路徑提供保障。
本發(fā)明針對(duì)結(jié)腸形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的特征，采用并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)快速簡(jiǎn)單的結(jié)腸分割方法，其方法分為以下2個(gè)步驟①二值化使用簡(jiǎn)單的二值化方法，可以快速灰度這在結(jié)腸灰度域(一般為0-500)范圍之外的組織。僅保留下結(jié)腸及與結(jié)腸密度接近的組織(如小腸)。
②膨脹從結(jié)腸中取任一點(diǎn)，采取26點(diǎn)臨域法膨脹。快速剔除非結(jié)腸組織(如小腸)。
經(jīng)過二值化和膨脹2個(gè)計(jì)算步驟，可以快速有效的分割出結(jié)腸。
3.虛擬導(dǎo)航技術(shù)控制虛擬內(nèi)窺鏡的移動(dòng)方向和位置，隨時(shí)間的推移不斷變化，從而全面展示感興趣區(qū)的解剖信息。
虛擬導(dǎo)航鏡用三個(gè)視圖向用戶展示導(dǎo)航過程以及診斷信息全局視圖、內(nèi)窺視圖和切片視圖。
全局視圖包括有分割之后的圖像數(shù)據(jù)，飛行路徑和一個(gè)三維圓錐。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)marchingcube顯示為三維的腸道表面。三維圓錐是虛擬鏡頭的可視化，其位置和方向代表虛擬鏡頭的位置和方向。
內(nèi)窺視圖包含用marchingcube顯示的三維腸道，該視圖的視點(diǎn)跟蹤虛擬鏡頭的位置和方向，向用戶展示了從虛擬鏡頭角度看到的腸道內(nèi)腔。
切片視圖包含三個(gè)方向(X軸、Y軸和Z軸)上的2D切片圖像。切片所顯示的數(shù)據(jù)為未分割之前的圖像數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了全局視圖和內(nèi)窺只顯示分割之后的數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)。
4.可視化部分根據(jù)內(nèi)窺鏡當(dāng)前位置和方向?qū)崟r(shí)重建并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。本部分功能有系統(tǒng)所使用的圖形包vtk支持。vtk實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的actor-renderer繪制模型，為數(shù)據(jù)可視化提供了良好的接口。
實(shí)施效果基于個(gè)人電腦(微軟視窗)下實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全新的虛擬內(nèi)窺鏡診斷方法，成功地將手工導(dǎo)航和自動(dòng)導(dǎo)航有機(jī)結(jié)合起來(lái)，提供了一個(gè)自動(dòng)交互式的友好界面。另外在該方法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新的快速距離映射(Fast Distance Mapping)中間線生成算法，以支持實(shí)時(shí)交互式的虛擬結(jié)腸鏡導(dǎo)航。該方法已進(jìn)入臨床應(yīng)用階段。
權(quán)利要求
1.一種基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法，其特征在于，包括以下步驟(1)通過手工路徑制定方法或自動(dòng)路徑生成方法獲得虛擬導(dǎo)航的飛行路徑；(2)手工導(dǎo)航和自動(dòng)導(dǎo)航有機(jī)結(jié)合以自動(dòng)導(dǎo)航為基礎(chǔ)，隨時(shí)停止自動(dòng)路徑飛行，重新取得對(duì)虛擬鏡頭的控制，這樣就可以在任何感興趣的區(qū)域滯留下來(lái)手工調(diào)整鏡頭以作多方位多角度的觀察，然后重新激活自動(dòng)路徑飛行，虛擬鏡頭將從原來(lái)被停止的位置繼續(xù)飛行，完成導(dǎo)航。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法，其特征是，所述的手工路徑制定方法，是自由移動(dòng)虛擬鏡頭，并在移動(dòng)過程中記錄下若干關(guān)鍵點(diǎn)處的鏡頭位置，在得到關(guān)鍵點(diǎn)序列后，利用三次樣條進(jìn)行插值求取飛行路經(jīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法，其特征是，所述的自動(dòng)路徑生成，是利用中間線生成算法計(jì)算出的3D結(jié)腸道的中間線作為飛行路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法，其特征是，所述的中間線生成算法，是指歐幾里得距離變換求取任意像素點(diǎn)到邊緣的最近距離DFB，然后以1/DFB為權(quán)重，利用Dijkstra算法求得從起始像素點(diǎn)S到任意其它像素點(diǎn)的最短路徑，從S到終點(diǎn)E的路徑即為所求中心線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法，其特征是，所述的手工導(dǎo)航，是指直接控制鏡頭的位置和方向，通過滑動(dòng)條改變虛擬鏡頭的上下和左右的方向，并改變鏡頭在該方向上的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法，其特征是，所述的自動(dòng)導(dǎo)航，是指虛擬鏡頭將沿著預(yù)先制定的飛行路徑自動(dòng)飛行，飛行期間，屏蔽任何交互操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法，其特征是，所述的步驟(2)，提供三個(gè)動(dòng)態(tài)的切片圖像，它們的方向飛別垂直于X軸、Y軸和Z軸，在導(dǎo)航過程中將動(dòng)態(tài)追蹤虛擬鏡頭的位置，展示鏡頭處的圖像信息，并在各自切片上動(dòng)態(tài)標(biāo)記虛擬鏡頭的位置。
全文摘要
一種基于虛擬結(jié)腸鏡的可視化方法，屬于醫(yī)學(xué)圖像處理及應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明包括以下步驟(1)通過手工路徑制定方法或自動(dòng)路徑生成方法獲得虛擬導(dǎo)航的飛行路徑；(2)手工導(dǎo)航和自動(dòng)導(dǎo)航有機(jī)結(jié)合以自動(dòng)導(dǎo)航為基礎(chǔ)，隨時(shí)停止自動(dòng)路徑飛行，重新取得對(duì)虛擬鏡頭的控制，這樣就可以在任何感興趣的區(qū)域滯留下來(lái)手工調(diào)整鏡頭以作多方位多角度的觀察，然后重新激活自動(dòng)路徑飛行，虛擬鏡頭將從原來(lái)被停止的位置繼續(xù)飛行，完成導(dǎo)航。本發(fā)明大大增強(qiáng)了醫(yī)生使用虛擬結(jié)腸鏡的自由度，更加方便醫(yī)生使用虛擬結(jié)腸鏡，并提高了診斷的可靠性。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1785115SQ20051011101
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者顧力栩 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)