專利名稱：三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法
三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機(jī)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)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)窺鏡導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
虛擬內(nèi)窺鏡(virtual endoscopy，VE)是目前發(fā)展的一項嶄新醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，應(yīng)用 計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成具有內(nèi)窺鏡可視效果的三維可視化圖像。將虛擬現(xiàn)實與科學(xué)計算 可視化(visualization in scientific computing)技術(shù)相結(jié)合，利用 CT、MRI 或超聲二維 圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化重建，模擬傳統(tǒng)的內(nèi)窺檢查過程，在人體器官內(nèi)甚至血管中實現(xiàn) 漫游，并可沿虛擬的內(nèi)部空腔做飛行觀察，顯示連續(xù)的三維器官內(nèi)腔結(jié)構(gòu)圖，在計算機(jī)屏幕 上生成具有內(nèi)窺鏡仿真效果的可視化圖像。這項技術(shù)克服了普通內(nèi)窺鏡的諸多弊端，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，沒有經(jīng)驗的醫(yī)生控制內(nèi)窺鏡在器官 中移動時迷失方向增加了病人的痛苦，以及內(nèi)窺鏡自身結(jié)構(gòu)原因無法到達(dá)人體內(nèi)的很多重 要部位。自1993年首次由Vining等報道CT仿真支氣管內(nèi)窺鏡技術(shù)以來，虛擬內(nèi)窺鏡將虛 擬現(xiàn)實與科學(xué)計算可視化技術(shù)相結(jié)合并成功地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像處理。虛擬環(huán)境將用戶和計 算機(jī)結(jié)合成一個整體，用戶置身于模仿真實世界而創(chuàng)建的三維電子環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境 感覺的交互式視景仿真。然而，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。因其類似纖維內(nèi)鏡(FiberoplicEndoscopyJE)所見， 故又被稱為“仿真內(nèi)鏡”。虛擬內(nèi)窺鏡是一種非創(chuàng)傷性技術(shù)，避免心導(dǎo)管檢查給病人帶來的 痛苦，無出血、穿孔、感染等并發(fā)癥。VE可重復(fù)操作，從任意角度和部位反復(fù)觀察，并可輕易 經(jīng)過狹窄段去觀察狹窄后的情況。然而，類似于心臟之類的器官由于內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜加之存在瓣膜運(yùn)動，在觀察 者對感興趣的區(qū)域進(jìn)行觀察和評價時，虛擬內(nèi)窺鏡不僅要提供交互實時多角度觀察，而且 要求虛擬視點(diǎn)位置不斷改變觀察，故在操作虛擬內(nèi)窺鏡時存在觀察不到位以及迷失方向可 能，因此探索并建立三維超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種三維心臟超聲虛擬 內(nèi)窺鏡的導(dǎo)航方法，在虛擬視點(diǎn)觀察位置不斷變換時，觀察者也不容易迷失方向。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)的一種三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，包含如下步驟獲取心臟組織結(jié)構(gòu)的初始二維切面圖像；根據(jù)所述二維切面圖像三維重建并顯示三維視圖；在所述三維視圖中設(shè)置一個能夠移動和控制的虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)；以及
通過虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)的移動在所述三維視圖中生成觀察路徑。當(dāng)所述待檢器官為心臟時，獲取至少一個完整心動周期的初始二維切面圖像。所述創(chuàng)建三維視圖的步驟中還包含一選擇感興趣區(qū)域的步驟。所述選擇感興趣區(qū) 域(R0I)的步驟采用節(jié)段分析法，將感興趣區(qū)域劃分為若干個，并根據(jù)這些觀察區(qū)域的結(jié) 構(gòu)確定區(qū)域劃分的大小。感興趣區(qū)域范圍根據(jù)觀察對象決定，其中房室瓣區(qū)域、房室間隔區(qū) 域R0I選擇宜大，主、肺動脈區(qū)域R0I選擇宜小。所述虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)設(shè)置于所述感興趣區(qū)域的腔體或大血管的中心位置?？刂扑鎏摂M內(nèi)窺鏡視點(diǎn)移動觀察時，將所述感興趣區(qū)域置于觀察者的視線中 心，使三維視圖沿著視線方向前進(jìn)，產(chǎn)生心臟內(nèi)組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)不斷靠近觀察者的放大的多 幀圖像?？刂扑鎏摂M內(nèi)窺鏡視點(diǎn)靜止觀察時，通過調(diào)整虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)的視距和視角， 在心臟內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的任意角度和在任意部位進(jìn)行觀察。所述虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)在移動觀察待檢器官組織結(jié)構(gòu)時三維視圖成像采用面繪制 方法，所述虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)在靜止觀察待檢器官組織結(jié)構(gòu)時三維視圖成像采用體繪制方 法。對所述虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)移動時顯示過的三維圖像保存并進(jìn)行回放，再現(xiàn)觀察的路徑。所述虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)可通過保存的三維圖像觀察路徑引導(dǎo)觀察或者根據(jù)預(yù)設(shè)的 指導(dǎo)路徑弓I導(dǎo)觀察，也可以根據(jù)觀察者的控制引導(dǎo)觀察。本發(fā)明的有益效果在于，用戶在三維視圖中通過手工控制虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)的移 動，以人機(jī)交互導(dǎo)航方式在心臟內(nèi)組織的三維視圖中漫游，并允許對觀察過的區(qū)域進(jìn)行連 續(xù)回放，再現(xiàn)任意角度下觀察漫游所生成的路徑，以此獲得器官的虛擬仿真內(nèi)窺鏡觀察效 果，便于觀察者進(jìn)行判斷，且不易迷失方向。

圖1為本發(fā)明具體實施方式
的步驟示意圖；圖2為本發(fā)明具體實施方式
中的導(dǎo)航界面示意圖。
具體實施方式下面參照附圖對本發(fā)明提供的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法的具體實施方 式進(jìn)行詳細(xì)說明。本具體實施方式
如下步驟S101，獲取心臟組織結(jié)構(gòu)的初始二維切面圖像；步驟 S102，選擇感興趣區(qū)域；步驟S103，三維重建并顯示三維視圖；步驟S104，在虛擬顯示圖像 中設(shè)置一個能夠移動和控制的虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)；步驟S105，通過虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)的移動引 導(dǎo)觀察并生成觀察路徑；步驟S107，回放觀察的路徑。當(dāng)待檢器官為心臟時，由于三維超聲心動圖在顯示心內(nèi)結(jié)構(gòu)、瓣膜運(yùn)動等方面具 有較大的優(yōu)越性，采樣方便，獲得圖像時間短，可以減少呼吸或心臟運(yùn)動造成的偽影，且心 臟超聲價格低廉，效/價比高，而CT、MRI價格昂貴，成像的時間較長，很難跟蹤心臟的動態(tài) 變化，且不適用于危重病人檢查。所以，本發(fā)明通過三維超聲獲取待檢器官組織結(jié)構(gòu)的初始二維切面圖像。參見圖1，于步驟S101，獲取心臟組織結(jié)構(gòu)的初始二維切面圖像。當(dāng)所述待檢器官 為心臟時，獲取至少一個完整心動周期的初始二維切面圖像。于步驟S102，選擇感興趣區(qū)域。感興趣區(qū)域(region-of-interest R0I)是操作者 選擇的觀察區(qū)域范圍，通過圖像切割對每一幀斷層像上R0I以內(nèi)所有區(qū)域進(jìn)行圖像分析， R0I以外區(qū)域在導(dǎo)航時將不列入可視化范圍，以減少對觀察者的干擾。根據(jù)心臟結(jié)構(gòu)及運(yùn)動特點(diǎn)，結(jié)合Van Praagh“節(jié)段分析法”，感興趣區(qū)域設(shè)定三個， 分別為房室瓣區(qū)域、房室間隔區(qū)域和主、肺動脈區(qū)域。R0I范圍根據(jù)觀察對象決定，其中房室 瓣區(qū)域、房室間隔區(qū)域R0I選擇宜大，主、肺動脈區(qū)域R0I選擇宜小。于步驟S103，三維重建并顯示三維視圖。根據(jù)步驟S102所選擇的感興趣區(qū)域創(chuàng)建 三維視圖，感興趣區(qū)域以外的區(qū)域不列入觀察者的可視化范圍。參見圖2，為選擇感興趣區(qū) 域后的導(dǎo)航界面示意圖，其中，左側(cè)圖方框為R0I區(qū)域選擇，箭頭所指為視點(diǎn)位置，視點(diǎn)在 左心室內(nèi)，右側(cè)圖為人工導(dǎo)航下相應(yīng)主動脈瓣、二尖瓣虛擬顯示結(jié)果。在其他具體實施方式
中，可于步驟S101直接進(jìn)入步驟S103，不進(jìn)行感興趣區(qū)域的 選擇，而是按照預(yù)設(shè)的路徑導(dǎo)航。于步驟S104，在虛擬顯示圖像中設(shè)置一個能夠移動和控制的虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)。這 個虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)允許根據(jù)觀察者的控制進(jìn)行上下、左右及前后多個方向移動，同時，可視 化范圍內(nèi)的觀察對象也可以進(jìn)行任意角度的空間變換。最好將虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)設(shè)置于所述 感興趣觀察區(qū)域的腔體或大血管的中心位置向四周觀察，這樣不會因為貼壁造成變形的視 覺效果。于步驟S105，通過虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)的移動引導(dǎo)觀察并生成觀察路徑，虛擬內(nèi)窺鏡 視點(diǎn)的移動可以根據(jù)預(yù)設(shè)的指導(dǎo)路徑或者根據(jù)觀察者的控制，虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)的移動也可 以選自以前保存的三維圖像和觀察路徑。當(dāng)控制虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)移動觀察時，將感興趣觀察區(qū)域置于觀察者的視線中心， 使三維視圖沿著視線方向前進(jìn)，產(chǎn)生心臟內(nèi)組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)不斷靠近觀察者的放大的多幀圖像。例如，觀察心臟的房室瓣區(qū)域時，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察，視點(diǎn)可從房室腔內(nèi)任意點(diǎn)開始漫游，通過變動視距、調(diào)整視角，對 視點(diǎn)前方房室瓣組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)的實時顯示，完整地觀察房室瓣形態(tài)和活動情況，對二 尖瓣、三尖瓣瓣環(huán)和瓣下結(jié)構(gòu)及周圍比鄰結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系。觀察心臟的房室間隔區(qū)域時，視點(diǎn)定位于房、室間隔的兩側(cè)，視線與間隔組織或垂 直正視或成夾角側(cè)面觀察，如三維顯示有間隔缺損，視點(diǎn)可通過移動鼠標(biāo)右鍵和鍵盤控制 向缺損方向移動，觀察缺損的解剖位置、形態(tài)、大小及與周圍組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，當(dāng)視點(diǎn)快速 推進(jìn)穿過缺損區(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)一步觀察間隔缺 損及相鄰組織的空間結(jié)構(gòu)。觀察心臟的大動脈區(qū)域時，以大動脈與心室連接處R0I為中心，視點(diǎn)位于心室腔 內(nèi)向主、肺動脈觀察，顯示大動脈與心室的空間位置關(guān)系，實時顯示主、肺動脈瓣瓣膜的活 動情況。對主動脈騎跨病例，視點(diǎn)移動至大動脈內(nèi)，在大動脈根部向心室腔方向觀察，顯示 大動脈騎跨室間隔的比例，觀察室間隔缺損的解剖位置。
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于步驟S106，回放觀察的路徑。對所述虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)移動時顯示過的三維圖像 保存并進(jìn)行連續(xù)回放即可再現(xiàn)觀察的路徑。當(dāng)視點(diǎn)在導(dǎo)航系統(tǒng)支持下前進(jìn)時，觀察者可以 “走走停?！保耶?dāng)視點(diǎn)在行走路徑上停下時，系統(tǒng)允許觀察者借助鍵盤按鍵向四周看看，所 生成的圖像被加入到圖像序列中構(gòu)成動畫的一幀。在心內(nèi)漫游任意步之后，系統(tǒng)可以對觀 察過的路徑進(jìn)行回放，實現(xiàn)視頻幀速觀察。作為較佳的技術(shù)方案，虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)在移動觀察心臟內(nèi)組織結(jié)構(gòu)時三維視圖成 像采用面繪制(surface rendering)方法，虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)在靜止觀察心臟內(nèi)組織結(jié)構(gòu)時 三維視圖成像采用體繪制(volume rendering)方法。面繪制方法，又稱間接繪制方法，其原理是基于二維圖像邊緣或輪廓線提取，由三 維空間數(shù)據(jù)場構(gòu)造出中間幾何圖元(如曲面、平面等)，通過幾何單元拼接擬合物體三維結(jié) 構(gòu)，借助傳統(tǒng)圖形學(xué)技術(shù)及硬件實現(xiàn)畫面繪制。醫(yī)學(xué)圖像三維表面重建的方法中，直接從三 維體數(shù)據(jù)生成等值面有多種不同的方法，其最具代表性的是移動立方體(Marching Cubes) 方法。面繪制方法構(gòu)造出的可視化圖形不能反映整個原始數(shù)據(jù)場的全貌及細(xì)節(jié)，可視化映 射只是將原始數(shù)據(jù)中的部分屬性映射成平面或曲面，但是可以產(chǎn)生比較清晰的等值面圖 像，而且可以利用現(xiàn)有的圖形硬件實現(xiàn)繪制功能，使圖像生成及變換的速度加快，是一類常 用的可視化算法。體繪制方法(Volume Rendering)是近年來迅速發(fā)展的的一種三維數(shù)據(jù)可視化方 法。體繪制與面繪制方法完全不同，它并不構(gòu)造中間幾何圖元，而是直接由三維數(shù)據(jù)場產(chǎn) 生，應(yīng)用視覺原理直接將體素投射到顯示平面，通過對體數(shù)據(jù)三維重建，直接由三維數(shù)據(jù)場 產(chǎn)生屏幕上的二維圖像，也稱為直接體繪制(DirectVolume Rendering)算法。體繪制的目的在于提供一種基于體素的繪制技術(shù)，它有別于傳統(tǒng)的基于面的繪 制，直接對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，可將重建后三維模型中的每一個數(shù)據(jù)點(diǎn)都進(jìn)行繪制，包 括心臟肌肉內(nèi)部的數(shù)據(jù)?；隗w繪制技術(shù)的虛擬內(nèi)窺鏡成像通過調(diào)整閾值、透明度，并賦予人工偽色彩和 不同的燈光亮度，重建的心腔內(nèi)表面三維圖像可顯示心臟的內(nèi)部細(xì)節(jié)，能夠保留心臟整體 信息，且圖像質(zhì)量高、便于圖像后處理。虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)應(yīng)用于分析診斷，對成像質(zhì)量要求較高，最終目標(biāo)是達(dá)到實時準(zhǔn) 確顯示和交互操作的要求，對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)窺鏡的觀察效果。在虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)導(dǎo)航時可采用面繪制方法，成像快速 圖像清晰，在視點(diǎn)位置不移動時可采用體繪制方法，體繪制可以顯示細(xì)微的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，這 樣對感興趣區(qū)域可以提供更加豐富和精確的信息，使觀察者得到更加滿意的視野觀察效果。因此，虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)在移動觀察心臟內(nèi)組織結(jié)構(gòu)時三維視圖成像采用面繪制方 法，靜止觀察心臟內(nèi)組織結(jié)構(gòu)時采用體繪制方法，可以較好地實現(xiàn)成像快且圖像細(xì)膩逼真。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(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)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(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)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，包含如下步驟獲取心臟初始二維切面圖像；根據(jù)所述二維切面圖像進(jìn)行三維重建并顯示三維視圖；在所述三維視圖中設(shè)置一個能夠移動和控制的虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)；通過虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)的移動引導(dǎo)觀察；以及在所述三維視圖中生成觀察路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，所述待檢 器官為心臟時，獲取至少一個完整心動周期的初始二維切面圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，所述三維 重建的步驟中還包含一選擇感興趣區(qū)域的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，所述選擇 感興趣區(qū)域的步驟采用節(jié)段分析法，將感興趣區(qū)域劃分為若干個，并根據(jù)感興趣區(qū)域的結(jié) 構(gòu)確定區(qū)域劃分的大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，所述虛擬 內(nèi)窺鏡視點(diǎn)設(shè)置于所述感興趣區(qū)域的腔體或大血管的中心位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，控制所 述虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)移動觀察時，將所述感興趣觀察區(qū)域置于觀察者的視線中心，使三維視 圖沿著視線方向前進(jìn)，產(chǎn)生心臟內(nèi)組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)不斷靠近觀察者的放大的多幀圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，控制所述 虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)靜止觀察時，通過調(diào)整虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)的視距和視角，在心臟內(nèi)組織結(jié)構(gòu) 的任意角度和在任意部位進(jìn)行觀察。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，所述虛擬 內(nèi)窺鏡視點(diǎn)在移動觀察心臟組織結(jié)構(gòu)時三維視圖成像采用面繪制方法，所述虛擬內(nèi)窺鏡視 點(diǎn)在靜止觀察心臟組織結(jié)構(gòu)時三維視圖成像采用體繪制方法。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，對所述虛 擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)移動時顯示過的三維圖像保存并進(jìn)行回放，再現(xiàn)觀察的路徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，所述虛擬 內(nèi)窺鏡視點(diǎn)通過保存的三維圖像觀察路徑弓I導(dǎo)觀察。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，所述虛擬 內(nèi)窺鏡視點(diǎn)根據(jù)預(yù)設(shè)的指導(dǎo)路徑引導(dǎo)觀察。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，其特征在于，所述虛擬 內(nèi)窺鏡視點(diǎn)根據(jù)觀察者的控制引導(dǎo)觀察。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三維心臟超聲虛擬內(nèi)窺鏡導(dǎo)航方法，包含如下步驟獲取心臟的初始二維切面圖像；根據(jù)所述二維切面圖像三維重建并顯示三維視圖；在所述三維視圖中設(shè)置一個能夠移動和控制的虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)；以及通過虛擬內(nèi)窺鏡視點(diǎn)的移動引導(dǎo)觀察并在所述三維視圖中生成觀察路徑。本方法確保了觀察者從多方位觀察心臟的組織結(jié)構(gòu)的同時不易迷失方向。
文檔編號A61B8/12GK101849843SQ20091004861
公開日2010年10月6日 申請日期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, 孫錕, 王威琪, 薛海虹, 陳濱津 申請人: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)