專利名稱：實(shí)行三維虛擬檢查、導(dǎo)引行進(jìn)和可視化的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實(shí)行基于體積的三維虛擬檢查的系統(tǒng)和方法，更具體的涉及提供了增強(qiáng)的可視化和導(dǎo)引行進(jìn)性能的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在全世界，結(jié)腸癌一直是重要的死因。對(duì)癌腫瘤的早期診斷，腫瘤在人體結(jié)腸里首先顯示為息肉，可以極大的增加病人痊愈的機(jī)會(huì)。當(dāng)前，有兩種通常的方法來診斷病人結(jié)腸里的息肉或者其他胞塊。第一種方法是結(jié)腸鏡檢查手續(xù)，它使用稱為結(jié)腸鏡的柔韌的光導(dǎo)纖維通過物理的直腸插入鏡頭來可視的檢查結(jié)腸。醫(yī)生可以控制管子來尋找結(jié)腸中的異常腫瘤。結(jié)腸鏡檢查，盡管是可靠的。但是它不僅相對(duì)的花費(fèi)金錢和時(shí)間，并且它對(duì)于病人是入侵的不舒服的痛苦過程。
第二診察技術(shù)是使用鋇灌腸劑并對(duì)結(jié)腸進(jìn)行兩維X射線成像。用鋇灌腸劑覆蓋結(jié)腸，進(jìn)行兩維X射線成像來捕獲結(jié)腸成像。然而，鋇灌腸劑不總是提供整個(gè)結(jié)腸的視圖，需要廣泛的預(yù)處理和耐心操作，當(dāng)實(shí)行操作時(shí)常常依賴于操作員，其暴露病人到過量的放射線，并且可能沒有結(jié)腸鏡檢查靈敏。因?yàn)樯鲜鐾ǔ７椒ǖ娜秉c(diǎn)，需要有一種更可靠，少侵入的方法來檢查結(jié)腸。檢查其他人體器官，例如肺，也需要更可靠，耗費(fèi)少并且病人痛苦少的方法。
應(yīng)用當(dāng)前可以獲得的醫(yī)療影像設(shè)備，例如計(jì)算機(jī)X線斷層照片和MRI(磁共振成像)，人體器官的二維(“2D”)可視化，已經(jīng)被廣泛的用于病情診斷。三維成像可以由通過對(duì)掃描機(jī)器產(chǎn)生的二維圖像之間進(jìn)行堆疊和插入得到。器官成像和以三維空間對(duì)體積作可視化是有益的，因?yàn)樗鼪]有物理的侵入并且減輕了數(shù)據(jù)的操作。然而，為了完全利用從里面虛擬觀察器官的優(yōu)勢(shì)，必需適當(dāng)?shù)膶?shí)行三維體積成像。
當(dāng)觀察環(huán)境的三維(“3D”)體積虛擬成像，必需使用功能模型以探測(cè)虛擬空間。一個(gè)可能的模型是虛擬照相機(jī)，它可以被用作觀察者探測(cè)虛擬空間的參考點(diǎn)。在一般3D虛擬環(huán)境中的照相機(jī)控制導(dǎo)引已經(jīng)被研究。提供虛擬空間導(dǎo)向的照相機(jī)控制的方法有兩種通常的類型。第一種讓操作員完全控制照相機(jī)，它允許操作員控制照相機(jī)于不同的位置并且朝向期望的觀察方向。操作員將有效控制照相機(jī)。這允許操作員探測(cè)感興趣的特定部分而忽略其他部分。然而，在大范圍內(nèi)對(duì)照相機(jī)的完全控制將很單調(diào)乏味并且很疲勞，并且操作員可能沒有觀察探測(cè)開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間的所有重要特征。
照相機(jī)控制的第二技術(shù)是設(shè)計(jì)導(dǎo)引方法，它指定了照相機(jī)預(yù)定的路徑并且操作員不能改變路徑。這與加入“自動(dòng)控制”相類似。這允許操作員關(guān)注于被觀察的虛擬空間，并且不必?fù)?dān)心進(jìn)入被檢查環(huán)境的內(nèi)壁。然而，第二技術(shù)沒有給觀察者改變路線或者調(diào)查沿行進(jìn)路徑觀察的感興趣區(qū)域的靈活性。
使用上述兩種導(dǎo)引技術(shù)的合成，將實(shí)行兩者的優(yōu)點(diǎn)，并最小化它們各自的缺點(diǎn)。應(yīng)用靈活導(dǎo)引技術(shù)于人體器官或者動(dòng)物器官的檢查，這些器官將表示為虛擬3D空間，便于實(shí)行無侵入無痛的徹底檢查。期望的導(dǎo)引技術(shù)將進(jìn)一步允許有靈活性的操作員對(duì)3D空間中虛擬器官進(jìn)行徹底檢查，同時(shí)確保平滑路徑和穿過并環(huán)繞器官的徹底檢查。而且期望其可以通過最小化觀察器官所需計(jì)算的技術(shù)實(shí)時(shí)顯示器官的探測(cè)。期望的技術(shù)也同樣可以應(yīng)用于探測(cè)任何虛擬對(duì)象。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是為了定制所觀察物體部分的可視化表示，使特定的體積元素成為透明的或者半透明的(改變特定體積元素的透明度)，而給每個(gè)體積元素的表示指定不透明系數(shù)。
發(fā)明概述本發(fā)明使用體積可視化技術(shù)生成了物體(例如人體器官)的三維可視化成像并且使用導(dǎo)引行進(jìn)系統(tǒng)探測(cè)虛擬圖像，此系統(tǒng)允許操作員沿預(yù)定的行進(jìn)路線前進(jìn)并且為了確定器官的息肉、囊腫或者其他異常特征，允許偏離預(yù)定的路徑，調(diào)整位置和觀察角度到成像中感興趣的部分。
根據(jù)用于虛擬檢查的導(dǎo)引行進(jìn)方法，生成了通過虛擬器官(例如結(jié)腸內(nèi)腔)的行進(jìn)路徑。從結(jié)腸內(nèi)腔的體積元素，從虛擬結(jié)腸內(nèi)腔壁應(yīng)用體積縮減以生成一套壓縮結(jié)腸內(nèi)腔數(shù)據(jù)。從所述壓縮結(jié)腸內(nèi)腔數(shù)據(jù)生成虛擬結(jié)腸內(nèi)腔的端點(diǎn)之間的最短路徑。沿虛擬結(jié)腸內(nèi)腔的長(zhǎng)度方向沿最短路徑抽取控制點(diǎn)。接著使控制點(diǎn)位于虛擬結(jié)腸內(nèi)腔中心。最后，在居中的控制點(diǎn)之間插入線段用于確定最終導(dǎo)引行進(jìn)路徑。
在上述的生成行進(jìn)路徑的方法中，所述體積縮減步驟包含步驟表示所述結(jié)腸內(nèi)腔為多棧圖像數(shù)據(jù)；對(duì)所述圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用離散子波變換以生成多套包含多個(gè)頻率成份的子數(shù)據(jù)；并且接著選擇所述子數(shù)據(jù)的最低頻率成份。
另一種在虛擬結(jié)腸鏡檢查中用于生成通過虛擬結(jié)腸內(nèi)腔的行進(jìn)路徑的方法包含分割虛擬結(jié)腸內(nèi)腔為多個(gè)部分的步驟。在每個(gè)部分內(nèi)選擇一個(gè)點(diǎn)并且參考虛擬結(jié)腸內(nèi)腔壁使每個(gè)所選擇點(diǎn)居中。連接居中點(diǎn)以建立行進(jìn)路徑。
一種實(shí)行虛擬結(jié)腸內(nèi)腔檢查的方法包含體積著色操作。對(duì)于結(jié)腸內(nèi)腔內(nèi)每個(gè)觀察點(diǎn)，從所述觀察點(diǎn)投射射線通過每個(gè)圖像象素。確定每束射線上從觀察點(diǎn)到結(jié)腸內(nèi)腔壁的最短距離。如果距離超過預(yù)定的采樣間隙，則沿射線跳過所述距離并且給沿射線在所述距離上的點(diǎn)指定一開放空間轉(zhuǎn)移函數(shù)。如果所述距離不超過采樣間隙，則采樣此象素并且根據(jù)轉(zhuǎn)移函數(shù)確定其值。
成像和體積著色的方法也帶來了實(shí)行區(qū)域(例如結(jié)腸壁或者其他被懷疑胞塊)的虛擬活組織切片檢查的方法。從成像掃描器數(shù)據(jù)生成的區(qū)域體積表示，通過應(yīng)用所述區(qū)域的一初始轉(zhuǎn)移函數(shù)以在結(jié)腸里導(dǎo)引行進(jìn)并且觀察區(qū)域表面實(shí)行了體積著色。當(dāng)診察到懷疑區(qū)域，動(dòng)態(tài)的改變轉(zhuǎn)移函數(shù)允許操作員(例如醫(yī)生)有選擇的改變觀察區(qū)域的不透明度和合成信息。這允許對(duì)被懷疑區(qū)域(例如息肉)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維觀察。
在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方法中，可以自動(dòng)的診察位于被檢查區(qū)域表面的息肉。結(jié)腸內(nèi)腔由多個(gè)體積單元表示。結(jié)腸內(nèi)腔的表面進(jìn)一步表示為連續(xù)的二階可微的表面，其中每個(gè)表面體積單元有其相關(guān)的高斯曲率。可以自動(dòng)搜索和評(píng)估從區(qū)域趨勢(shì)產(chǎn)生的局部特征的高斯曲率。接著從結(jié)腸壁表面將有相應(yīng)于象小山小凸起的局部特征分類為息肉以便進(jìn)一步檢查。
在根據(jù)本虛擬成像發(fā)明的另一個(gè)方法中，一種實(shí)行虛擬結(jié)腸鏡檢查的方法包含獲得包含結(jié)腸的區(qū)域的一套圖像數(shù)據(jù)并且轉(zhuǎn)化所述成像數(shù)據(jù)為體積單元的步驟。確認(rèn)表示結(jié)腸內(nèi)腔壁的那些體積單元并且建立行進(jìn)路徑以導(dǎo)引行進(jìn)通過所述結(jié)腸內(nèi)腔。接著應(yīng)用至少一個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)以映射顏色和不透明度到結(jié)腸內(nèi)腔壁。接著根據(jù)指定的轉(zhuǎn)移函數(shù)，沿行進(jìn)路徑顯示結(jié)腸內(nèi)腔。
在虛擬結(jié)腸鏡檢查的方法中，生成行進(jìn)路徑的步驟包含從虛擬結(jié)腸內(nèi)腔壁應(yīng)用體積縮減以生成一套縮減的數(shù)據(jù)。從這套縮減的數(shù)據(jù)，生成虛擬結(jié)腸內(nèi)腔的端點(diǎn)之間的最短路徑。接著沿最短路徑指定沿虛擬結(jié)腸內(nèi)腔的長(zhǎng)度方向的控制點(diǎn)。使控制點(diǎn)位于虛擬結(jié)腸內(nèi)腔中心并且插入居中的控制點(diǎn)的連接線段以完成導(dǎo)引行進(jìn)路徑。
另一方面，產(chǎn)生行進(jìn)路徑可以通過將虛擬結(jié)腸內(nèi)腔分成多個(gè)部分；在每個(gè)部分內(nèi)選擇一個(gè)點(diǎn)；參考虛擬結(jié)腸內(nèi)腔壁使每個(gè)點(diǎn)居中；并且連接居中點(diǎn)以建立行進(jìn)路徑。
一種根據(jù)本發(fā)明的用于區(qū)域的三維成像、導(dǎo)引行進(jìn)和檢查的系統(tǒng)，包含用于獲得圖像數(shù)據(jù)的成像掃描器，例如MRI或者CT掃描器。一個(gè)處理器轉(zhuǎn)化圖像數(shù)據(jù)為形成一套體積元素?cái)?shù)據(jù)的多個(gè)體積元素。所述處理器還實(shí)行步驟確認(rèn)表示結(jié)腸內(nèi)腔壁的那些體積單元；建立行進(jìn)路徑以導(dǎo)引行進(jìn)通過所述結(jié)腸內(nèi)腔；并且應(yīng)用至少一個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)以映射顏色和不透明度到結(jié)腸內(nèi)腔壁。一個(gè)顯示單元與處理器耦合，所述顯示單元用于根據(jù)行進(jìn)路徑和至少一個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)顯示區(qū)域表示。
另一個(gè)基于本發(fā)明的具體實(shí)施例形成的用于虛擬結(jié)腸鏡檢查的基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)是基于總線結(jié)構(gòu)體系。一個(gè)掃描器接口卡與所述總線結(jié)構(gòu)耦合并且提供來自所述成像掃描器的數(shù)據(jù)到所述總線結(jié)構(gòu)。還提供了與總線耦合的主存儲(chǔ)器。擁有本地體積著色存儲(chǔ)器的體積著色卡，所述體積著色卡在體積著色操作中接收至少一部分來自成像掃描器的數(shù)據(jù)并且儲(chǔ)存所述數(shù)據(jù)于體積著色存儲(chǔ)器。一圖形卡與總線結(jié)構(gòu)耦合并且與一顯示設(shè)備耦合用于顯示來自系統(tǒng)的圖像。一個(gè)處理器與所述總線結(jié)構(gòu)耦合并且響應(yīng)來自成像掃描器的數(shù)據(jù)。所述處理器轉(zhuǎn)化來自成像掃描器的圖像數(shù)據(jù)為體積元素表示，儲(chǔ)存所述體積元素表示，分割所述體積元素表示為圖像切片，并且傳輸所述體積元素部分到所述體積著色卡。
附圖簡(jiǎn)述下面將參考顯示了本發(fā)明較佳實(shí)施例的附圖作詳細(xì)說明，將使本發(fā)明的進(jìn)一步的目標(biāo)、特征和優(yōu)勢(shì)更明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)行物體(特別是結(jié)腸)虛擬檢查的步驟的流程圖。
圖2是實(shí)行在虛擬器官里引導(dǎo)行進(jìn)的“潛水艇”照相機(jī)模型的說明。
圖3是用于模仿俯仰和搖擺“潛水艇”照相機(jī)的擺的說明。
圖4是說明確定了兩面阻擋壁的測(cè)容積的結(jié)腸的兩維橫截面圖。
圖5是說明測(cè)容積的結(jié)腸的兩維橫截面圖，其中結(jié)腸的起始和結(jié)束端體積元素被選中。
圖6是說明測(cè)容積的結(jié)腸的兩維橫截面圖，其中示出由阻擋壁和結(jié)腸表面所包圍的離散的次體積。
圖7是說明測(cè)容積的結(jié)腸的兩維橫截面圖，其中結(jié)腸被多層剝落。
圖8是測(cè)容積的結(jié)腸的兩維橫截面圖，其中包含留下的行進(jìn)路線。
圖9是生成被掃描器官的體積可視化的步驟的流程圖。
圖10是說明被細(xì)分成單元的虛擬結(jié)腸的說明。
圖11A是被虛擬檢查的器官的圖像說明。
圖11B是當(dāng)說明圖11A中器官時(shí)生成的試探樹圖的圖像說明。
圖11C是當(dāng)說明圖11A中器官時(shí)生成的試探樹圖的進(jìn)一步圖像說明。
圖12A是將著色的包含有場(chǎng)景中某些單元內(nèi)的物體的場(chǎng)景圖像說明。
圖12B是當(dāng)說明圖12A中器官時(shí)生成的試探樹圖的圖像說明。
圖12C-12E是當(dāng)說明圖12A中器官時(shí)生成的試探樹圖的圖像說明。
圖13是包含息肉的虛擬結(jié)腸的二維表示，其中息肉的層可以被移除。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的用于實(shí)行人體器官虛擬檢查的系統(tǒng)的圖表。
圖15是說明改進(jìn)的圖像分割方法的流程圖。
圖16是體素強(qiáng)度對(duì)典型腹部CT數(shù)據(jù)組頻率的圖像。
圖17是包含感興趣體素和其被選中的相鄰物體的強(qiáng)度向量結(jié)構(gòu)透視圖。
圖18A是從人體腹部區(qū)域的CT掃描切片的示意圖，主要說明了包含肺的區(qū)域。
圖18B是說明圖18A的圖像切片中肺區(qū)域的鑒定的圖示。
圖18C是說明圖18B中確認(rèn)的肺體積的移除的圖示。
圖19A是從人體腹部區(qū)域的CT掃描切片的示意圖，主要說明了包含一部分結(jié)腸和骨頭的區(qū)域。
圖19B是說明圖19A的圖像切片中結(jié)腸和骨頭區(qū)域的鑒定的圖示。
圖19C是說明有被移除骨頭區(qū)域的圖19A的圖像掃描的圖示。
圖20是說明應(yīng)用紋理到單色圖像數(shù)據(jù)上的方法的流程圖。
圖21是說明應(yīng)用快速透視光線投射技術(shù)實(shí)行體積著色的方法的流程圖。
圖22是說明應(yīng)用體積縮減技術(shù)確定通過結(jié)腸內(nèi)腔的中心行進(jìn)路徑的方法的流程圖。
圖23是進(jìn)一步說明圖22中說明的方法所使用的體積縮減技術(shù)的流程圖。
圖24是生成了中心行進(jìn)路徑的分割的結(jié)腸內(nèi)腔的三維圖像表示。
圖25是說明應(yīng)用分割技術(shù)生成通過結(jié)腸內(nèi)腔的中心行進(jìn)路徑的方法的流程26是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)體系的系統(tǒng)具體實(shí)施例的框27是使用圖26中系統(tǒng)實(shí)行體積成像的方法的流程圖。
較佳實(shí)施例詳細(xì)說明這里的應(yīng)用中所述的方法和系統(tǒng)可以被應(yīng)用到被檢查的任何物體，較佳的實(shí)施例是人體器官的檢查，特別是結(jié)腸檢查，下面將會(huì)說明較佳實(shí)施例。結(jié)腸是長(zhǎng)而曲折的，這使它特別適合于虛擬檢查，節(jié)省了病人的錢，減少了物理探查的不舒服和危險(xiǎn)?？梢员粰z查的器官的其他例子包含肺，胃和胃—腸系統(tǒng)的部分，心臟和血管。
圖1說明了使用體積可視化技術(shù)實(shí)行虛擬結(jié)腸鏡檢查的必要步驟。步驟101準(zhǔn)備被掃描的結(jié)腸，為了醫(yī)生或者特定掃描儀器需要檢查。準(zhǔn)備可以包含以“雞尾酒”或者液體清潔結(jié)腸，它們?cè)谘氏虏⒔?jīng)過胃后進(jìn)入結(jié)腸。雞尾酒迫使病人排除結(jié)腸里的廢物。它的一個(gè)替代品是Golytely。而且，在結(jié)腸情況下，空氣或者CO2可以被強(qiáng)迫進(jìn)入結(jié)腸，以擴(kuò)張結(jié)腸，便于掃描和檢查。最后是用小管子放入直腸，泵入結(jié)腸大約1000cc空氣，用于擴(kuò)張結(jié)腸。依賴于所使用掃描器的類型，有可能需要病人飲用對(duì)比物質(zhì)，例如鋇，以覆蓋任何未擦掉的糞便，區(qū)分結(jié)腸里的廢物和結(jié)腸本身的壁?？商鎿Q的，虛擬檢查結(jié)腸的方法可以先于或者在虛擬檢查時(shí)清除虛擬廢物，如本說明書下述。如圖1中虛線所顯示的，步驟101不需要在所有的檢查中實(shí)行。
步驟103掃描了將被檢查的器官。掃描器可以是在此領(lǐng)域熟知的設(shè)備，例如掃描結(jié)腸的螺旋CT掃描器或者例如用氙氣示蹤的掃描肺的Zenita MRI機(jī)器。掃描器必需可以在暫停呼吸時(shí)間中從身體周圍不同位置獲取多重成像，以產(chǎn)生體積可視化必需的數(shù)據(jù)。單個(gè)CT成像的例子可以使用5mm寬度的X射線束，1∶1到2∶1間距，40cm觀察范圍，從結(jié)腸的脾臟的彎曲部分的頂端到直腸實(shí)行觀察。表示所述物體的離散數(shù)據(jù)可以除了掃描外的其他方法產(chǎn)生。表示物體的體素?cái)?shù)據(jù)可以通過下述技術(shù)從幾何模型中得到美國(guó)專利號(hào)No.5,038,302，題為“Method of Converting Continuous Three-DimensionalGeometrical Representations into Discrete Three-Dimensional voxel-BasedSystem”發(fā)明人Kaufman，發(fā)布時(shí)間1991年8月8日，申請(qǐng)時(shí)間1988年7月26日，這里列舉作參考。而且，數(shù)據(jù)可以由圖像的計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生，其可以被轉(zhuǎn)化成三維體素并且被根據(jù)本發(fā)明探測(cè)。這種類型數(shù)據(jù)的一個(gè)例子是航天飛機(jī)周圍紊流的計(jì)算機(jī)模擬。
步驟104轉(zhuǎn)化被掃描圖像為三維體積元素(體素)。在結(jié)腸檢查的較佳實(shí)施例中，掃描數(shù)據(jù)被重新格式化為5mm厚度的增量為1mm或者2.5mm的切片，以及重建成1mm切片，每個(gè)切片表示512乘512像素的矩陣。依靠掃描的長(zhǎng)度生成了大量的2D切片。這套2D切片接著重建成3D體素。掃描器的2D圖像轉(zhuǎn)化成3D體素的過程可以由掃描器本身實(shí)現(xiàn)或者通過單獨(dú)的機(jī)器，例如有本專業(yè)中熟知的技術(shù)(例如，參考美國(guó)專利號(hào)No.4985,856，題為“Method andApparatus for Storing，Accessing，and Processing voxel-based Data”發(fā)明人Kaufman等，發(fā)表日1991年1月15日，申請(qǐng)日1988年11月11日；這里引用作參考)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
步驟105允許操作員確定被檢查器官的部分。內(nèi)科醫(yī)師可能對(duì)結(jié)腸的特定部分感興趣，例如發(fā)育息肉。內(nèi)科醫(yī)師可以觀察二維切片整體圖來指出要被檢查的部分。觀察路徑的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)可以由內(nèi)科醫(yī)師/操作員指定。通常的計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)界面(例如，鍵盤，鼠標(biāo)或者滾球)可以被用于指定要被檢查的結(jié)腸部分。有坐標(biāo)的網(wǎng)格系統(tǒng)可以被為鍵盤輸入使用或者內(nèi)科醫(yī)師/操作員可以“點(diǎn)擊”需要的點(diǎn)。如果需要，結(jié)腸的整體圖像也可以被觀察。
步驟107實(shí)行被檢查虛擬器官的設(shè)計(jì)或者引導(dǎo)行進(jìn)操作。實(shí)行導(dǎo)引行進(jìn)操作被定義為沿預(yù)定或者自動(dòng)預(yù)定的行進(jìn)路線導(dǎo)引通過環(huán)境，行進(jìn)路徑可以被操作員在任何時(shí)間調(diào)節(jié)。在掃描數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化成3D體素，器官的內(nèi)部必需橫貫選中的開始點(diǎn)到選中的終點(diǎn)。虛擬檢查被模擬成有一微小照相機(jī)從虛擬空間穿過，鏡頭向著終點(diǎn)。導(dǎo)引行進(jìn)技術(shù)提供了與照相機(jī)一定程度的交互，這樣在沒有操作員交互的情況時(shí)，照相機(jī)可以自動(dòng)的行進(jìn)通過虛擬環(huán)境，并且同時(shí)允許必要時(shí)由操作員控制照相機(jī)。完成導(dǎo)引行進(jìn)的較佳實(shí)施例是使用基于物理的照相機(jī)模型，它使用勢(shì)場(chǎng)來控制照相機(jī)的移動(dòng)并且將在圖2和圖3中詳細(xì)描述。
步驟109，可以與步驟107同時(shí)發(fā)生，從照相機(jī)模型的視點(diǎn)沿導(dǎo)引行進(jìn)操作所選中的路徑顯示器官內(nèi)部。三維顯示可以使用此領(lǐng)域內(nèi)熟知的技術(shù)生成，例如邊界立方體技術(shù)。然而，為了生成結(jié)腸的實(shí)時(shí)顯示，需要一種技術(shù)來減小顯示虛擬器官所需要的計(jì)算量，圖9詳細(xì)說明了這個(gè)顯示步驟。
圖1中說明的方法也可以應(yīng)用于同時(shí)掃描人體內(nèi)多個(gè)器官。例如，病人可以同時(shí)檢查結(jié)腸和肺里的癌腫瘤。圖1的方法將被修改為在步驟103掃描所有感興趣區(qū)域并且可以在步驟105選擇被檢查的當(dāng)前器官。例如，內(nèi)科醫(yī)生/操作員可以首先選擇結(jié)腸來探測(cè)并且隨后探測(cè)肺。另一方面，兩個(gè)特長(zhǎng)不同的醫(yī)生可以虛擬探測(cè)不同的關(guān)于其特長(zhǎng)的被掃描器官。步驟109后，將被檢查的下一個(gè)器官被選中并且它的部分將被確定和探測(cè)。這一直持續(xù)到所有需要被檢測(cè)的器官都被處理為止。
與圖1相關(guān)的步驟已經(jīng)被應(yīng)用于任何可以被體積元素表示的物體的探測(cè)。例如，一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)或者無生命的物體可以以同樣方式被表示并且探測(cè)。
圖2說明了一個(gè)“潛水艇”照相機(jī)控制模型，它在步驟107實(shí)行導(dǎo)引行進(jìn)技術(shù)。當(dāng)導(dǎo)引行進(jìn)中沒有操作員控制時(shí)，默認(rèn)行進(jìn)與計(jì)劃的行進(jìn)相似，它自動(dòng)的指引照相機(jī)沿從結(jié)腸的一個(gè)選擇端到另一個(gè)的行進(jìn)路線。在計(jì)劃行進(jìn)階段，照相機(jī)停留在結(jié)腸的中心以獲得對(duì)結(jié)腸表面較好的觀察。當(dāng)遇到感興趣區(qū)域，使用導(dǎo)引行進(jìn)的虛擬照相機(jī)的操作員可以交互的把照相機(jī)放到特定區(qū)域并且指引照相機(jī)的移動(dòng)和角度以詳細(xì)的研究感興趣區(qū)域，不需要不自愿的與結(jié)腸內(nèi)壁相撞。操作員可以用標(biāo)準(zhǔn)界面設(shè)備例如鍵盤，鼠標(biāo)或者非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備例如滾球來控制照相機(jī)。為了在虛擬環(huán)境完全操作照相機(jī)，照相機(jī)需要有六個(gè)自由度。照相機(jī)必需可以水平的，垂直的，和Z方向(軸217)移動(dòng)，還可以在三度自由度(軸219)上旋轉(zhuǎn)以允許照相機(jī)移動(dòng)或者掃描虛擬環(huán)境的所有邊和角。導(dǎo)引行進(jìn)照相機(jī)模型包含不可延伸的無重桿201，它連接質(zhì)點(diǎn)x1203和x2205，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)屬于勢(shì)場(chǎng)215。勢(shì)場(chǎng)是定義為在器官壁上最高，為了使照相機(jī)遠(yuǎn)離壁。
質(zhì)點(diǎn)的位置由x1和x2給定，并且它們被假設(shè)有相同的質(zhì)量m。照相機(jī)被附在潛水艇x1203的頂端，潛水艇的觀察方向是x2x1方向。由于兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)被從下面將定義的勢(shì)場(chǎng)V(x)的力，任何摩擦力，和任何模擬外部力影響，潛水艇可以在模型塊x中心周圍實(shí)行平移和旋轉(zhuǎn)。x1，x2，x之間的關(guān)聯(lián)如下x＝(x，y，z)，r＝(rsinθcosφ，rsinθsinφ，rcosθ)，x1＝x+r，x2＝x-r， (1)其中，r，θ和φ是向量xx1的極坐標(biāo)。
模型的動(dòng)能，T，被定義為x1和x2的移動(dòng)的動(dòng)能的和T=m2(x·12+x·22)]]>=mx·2+mr·2]]>=m(x·2+y·2+z·2)+mr2(θ·2+φ·2sin2θ).---(2)]]>接著，潛水艇模型運(yùn)動(dòng)方程通過使用拉格朗日方程得到ddt(∂T∂q·j)-∂T∂qj=Σi=12(Fi·∂xi∂qj),---(3)]]>其中qj是模型的廣義坐標(biāo)，并且它們可以被認(rèn)為是時(shí)間t的變量(q1，q2，q3，q4，q5，q6)＝(x，y，z，θ，φ，Ψ)＝q(t)， (4)其中Ψ表示照相機(jī)系統(tǒng)的擺動(dòng)角，稍后將說明。Fi是稱為廣義力。潛水艇的控制由給x1施加模擬外部力實(shí)行，F(xiàn)ext＝(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z)，并且假定x1和x2是被從勢(shì)場(chǎng)的力和摩擦力影響，摩擦力作用方向與每個(gè)質(zhì)點(diǎn)速度方向相反。結(jié)果，廣義力由以下等式計(jì)算F1=-m▿V(x1)-kx·1+Fext,]]>F2=-m▿V(x2)-kx·2,---(5)]]>其中k表示系統(tǒng)的摩擦系數(shù)。外力Fext由操作員簡(jiǎn)單的在生成圖像中需要的方向207點(diǎn)擊鼠標(biāo)施加，如圖2所示。照相機(jī)模型可以接著以那個(gè)方向移動(dòng)。這允許操作員僅僅通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)來控制照相機(jī)至少5個(gè)自由度。從等式(2)，(3)和(5)，可以求出潛水艇模型的五個(gè)參數(shù)的加速度x··=-12(∂V(x1)∂x+∂V(x2)∂x)-kx·m+Fx2m,]]>y··=-12(∂V(x1)∂y+∂V(x2)∂y)-ky·m+Fy2m,]]>z··=-12(∂V(x1)∂z+∂V(x2)∂z)-kz·m+Fz2m,]]>θ··=φ·2sinθcosθ]]>-12r[cosθ{cosφ(∂V(x1)∂x-∂V(x2)∂x)+sinφ(∂V(x1)∂y-∂V(x2)∂y)}]]>-sinθ(∂V(x1)∂z-∂V(x2)∂z)]]]>-kmθ·+12mr(Fxcosθcosφ+Fycosθsinφ-Fzsinθ),]]>φ··=1sinθ[-2θ·φ·cosθ]]>-12r{-sinφ(∂V(x1)∂x-∂V(x2)∂x)+cosφ(∂V(x1)∂y-∂V(x2)∂y)}]]>-kmφ·sinθ+12mr(-Fxsinφ+Fycosφ)],---(6)]]>其中 和 表示x的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，并且 表示勢(shì)場(chǎng)在點(diǎn)x的梯度。 的表達(dá)式中的 和 的表達(dá)式中的 被稱為向心力和Coriolis力，它們與潛水艇的角速度的交換相關(guān)。由于模型沒有為潛水艇的剛桿定義的慣量矩，這些項(xiàng)將導(dǎo)致φ的計(jì)算數(shù)值偏大。幸運(yùn)的是，僅當(dāng)潛水艇模型的角速度很大(這意味著照相機(jī)運(yùn)動(dòng)的太快)時(shí)，這些項(xiàng)才很大。因?yàn)檎障鄼C(jī)運(yùn)動(dòng)太快將不能適當(dāng)?shù)挠^察器官，允許照相機(jī)運(yùn)動(dòng)很快毫無意義，在我們的實(shí)施例中這些項(xiàng)都被最小化以避免偏大的問題。
從等式6的前三個(gè)等式，知道如果滿足以下條件，潛水艇不能被外力推動(dòng)逆向勢(shì)場(chǎng)。
|▿V(x1)+▿V(x2)|>|Fext|m.]]>由于在我們的實(shí)施例中潛水艇的速度和外力Fext有上限，通過在物體邊界指定足夠高的勢(shì)場(chǎng)值，將可以保證潛水艇不會(huì)撞向物體或者環(huán)境內(nèi)壁。
如上所述，需要考慮照相機(jī)系統(tǒng)的擺動(dòng)角Ψ。一個(gè)可能的選擇是允許操作員完全控制角度Ψ。然而，盡管操作員可以在模型剛桿周圍自由旋轉(zhuǎn)照相機(jī)，他可能很容易變得失去方向感。較佳的技術(shù)假定照相機(jī)的上方向與質(zhì)量m2的擺301相連，如圖3所示，它可以自由的繞潛水艇的剛桿旋轉(zhuǎn)。擺的方向r2表示為r2＝r2(cosθcosφsinΨ+sinφcosΨ，cosθsinφsinΨ-cosφcosΨ，-sinθsinΨ).
盡管可以計(jì)算擺隨同潛水艇運(yùn)動(dòng)的精確運(yùn)動(dòng)，但這樣使系統(tǒng)方程太復(fù)雜了。從而，假定除了擺動(dòng)角Ψ外所有的廣義坐標(biāo)是常量，并且這樣定義了擺系統(tǒng)的獨(dú)立動(dòng)能為Tp=m22r·22=m2r222ψ·2.]]>這簡(jiǎn)化了模型的擺動(dòng)角。假定模型中作用在質(zhì)點(diǎn)m2的重力為Fg＝m2g＝(m2gx，m2gy，m2gz)可以使用拉格朗日方程計(jì)算Ψ的加速度為ψ··=1r2{gx(cosθcosφcosψ-sinφsinψ)]]>+gy(cosθsinφcosψ+cosφsinψ)]]>+gz(-sinθcosψ)}-k2m2ψ·.---(7)]]>從等式(6)和(7)，廣義坐標(biāo)q(t)和它的導(dǎo)數(shù) 可以使用泰勒級(jí)數(shù)逼近，為q(t+h)=q(t)+hq·(t)+h22q··(t)+O(h3),]]>q·(t+h)=q·(t)+hq··(t)+O(h2),]]>以自由的移動(dòng)潛水艇。為了平滑潛水艇的移動(dòng)，時(shí)間步長(zhǎng)h被選擇為在為平滑移動(dòng)的最小可能值與減小計(jì)算復(fù)雜性的最大必要值之間的平衡值。
勢(shì)場(chǎng)定義為了保證潛水艇照相機(jī)沒有與壁或者其他邊界相撞，通過指定高勢(shì)場(chǎng)給邊界，在圖2中潛水艇模型的勢(shì)場(chǎng)定義了虛擬器官邊界(壁或者其他東西)。如果照相機(jī)模型企圖由操作員移動(dòng)入高勢(shì)能區(qū)域，照相機(jī)模型將對(duì)這樣做有限制，除非例如操作員想檢測(cè)邊界后面的器官或者在息肉里面。在實(shí)行虛擬結(jié)腸鏡檢查時(shí)，勢(shì)場(chǎng)值被賦給體積測(cè)量結(jié)腸數(shù)據(jù)的每片(體積元素)。當(dāng)在圖1中步驟105特定的感興趣區(qū)域被指定了起始點(diǎn)和終點(diǎn)，被掃描結(jié)腸的所選擇區(qū)域里的體素被使用通常的分塊操作標(biāo)識(shí)。結(jié)果，勢(shì)能值被指定給選中的體積的每個(gè)體素，基于下面三個(gè)距離值離終點(diǎn)的距離dt(x)，離結(jié)腸表面的距離ds(x)和離結(jié)腸空間中心線的距離dc(x)。dt(x)使用通常的增長(zhǎng)策略計(jì)算。離結(jié)腸表面的距離ds(x)是使用從表面體素向內(nèi)增長(zhǎng)的傳統(tǒng)技術(shù)計(jì)算，為了確定dc(x)，首先從體素中提取結(jié)腸中心線，并且接著使用傳統(tǒng)的增長(zhǎng)的策略從結(jié)腸的中心線計(jì)算dc(x)。
為了計(jì)算由用戶指定的起始點(diǎn)到用戶指定的終點(diǎn)確定的選中結(jié)腸區(qū)域的中心線，ds(x)的最大值被定位并且表示為dmax。接著對(duì)于感興趣區(qū)域里的每個(gè)體素，指定了dmax的代價(jià)值-ds(x)。這樣靠近結(jié)腸表面的體素有較高的代價(jià)值并且靠近中心線的體素有相對(duì)較低的代價(jià)值。接著，基于代價(jià)值指定，本領(lǐng)域熟知的單源最短路徑技術(shù)被應(yīng)用于有效的計(jì)算從源點(diǎn)到終點(diǎn)的最小代價(jià)路徑。低代價(jià)線說明了中心線或者需要被探測(cè)的結(jié)腸部分的基干。確定中心線的技術(shù)是本發(fā)明較適宜的技術(shù)。
為了計(jì)算感興趣區(qū)域內(nèi)體素x的勢(shì)能值V(x)，應(yīng)用了下面的等式V(x)=C1dt(x)μ+C2(ds(x)dc(x)+ds(x))ν,---(8)]]>其中C1，C2，μ和ν為此目標(biāo)選擇為常量。為了避免虛擬照相機(jī)和虛擬結(jié)腸表面的碰撞，所有在結(jié)腸外面的點(diǎn)被指定了足夠大的勢(shì)能值。勢(shì)場(chǎng)的梯度將從而變得很顯著，在運(yùn)動(dòng)時(shí)潛水艇模型照相機(jī)將不會(huì)與結(jié)腸壁碰撞。
確定結(jié)腸里中心線路徑的另一個(gè)技術(shù)是“剝落層”技術(shù)，圖4到圖8顯示了這項(xiàng)技術(shù)。
圖4顯示了體積測(cè)量結(jié)腸的2D橫截面，顯示了結(jié)腸的兩側(cè)壁401和403。兩個(gè)阻擋壁由操作員選擇，以確定結(jié)腸中感興趣的部分。在阻擋壁外面什么也看不見。這幫助減小了顯示虛擬表示時(shí)的計(jì)算量。阻擋壁與側(cè)壁確定了被探測(cè)結(jié)腸包含的的體積外形。
圖5顯示了虛擬檢查行進(jìn)路徑的兩個(gè)端點(diǎn)，起始體積元素501和終點(diǎn)體積元素503。起始點(diǎn)和終點(diǎn)由操作員在圖1中步驟105中選擇。在開始和結(jié)束點(diǎn)和結(jié)腸壁之間的體素被辨別和標(biāo)記，如圖6中標(biāo)為“x”的區(qū)域所顯示的。體素是圖像元素的三維表示。
剝落層技術(shù)接著被應(yīng)用于辨別和標(biāo)記圖6中的體素。所有體素的最外層(靠近結(jié)腸壁)被一步接一步的剝落，直到僅僅剩下一個(gè)體素里層。換句話，如果被移除的沒有使在起始體素和結(jié)束體素之間路徑的斷開，移除每個(gè)遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的體素。圖7顯示了一定次數(shù)的反復(fù)剝落虛擬結(jié)腸里體素的過程完成后的及時(shí)結(jié)果。最靠近結(jié)腸壁的體素被移除。圖8顯示了所有的反復(fù)剝落操作完成后，照相機(jī)模型的沿結(jié)腸中心的最終行進(jìn)路徑。這在結(jié)腸中心必然產(chǎn)生了骨干圖，并且此骨干成為照相機(jī)模型的行進(jìn)路徑。
Z-緩沖輔助可見性圖9說明了在器官的虛擬三維體積表示中顯示照相機(jī)所見虛擬成像的實(shí)時(shí)可視性技術(shù)。圖9顯示了使用修正Z緩沖的顯示技術(shù)，相應(yīng)于圖1中步驟109?？梢詮恼障鄼C(jī)模型觀察的體素的個(gè)數(shù)是極大的。除非必需被計(jì)算并可視化的元素的整個(gè)數(shù)目(或者多邊形)是從被掃描環(huán)境的整套體素中簡(jiǎn)化而來，整體計(jì)算量使可視化顯示過程在較大內(nèi)部區(qū)域時(shí)很慢。然而，在本發(fā)明中僅僅在結(jié)腸表面可見的圖像需要被計(jì)算用于顯示。掃描環(huán)境可以被細(xì)分為小部分，或者單元。Z緩沖技術(shù)接著著色僅僅從照相機(jī)可見的那部分單元。Z緩沖技術(shù)也被用于三維體素表示。修正Z緩沖的使用減少了需要計(jì)算的可視體素?cái)?shù)目并且允許醫(yī)生或者醫(yī)務(wù)技師實(shí)時(shí)的檢查虛擬結(jié)腸。
在步驟107從感興趣區(qū)域計(jì)算了中心線，當(dāng)顯示技術(shù)被應(yīng)用時(shí)，此感興趣區(qū)域被細(xì)分為單元。單元是成為可視單元的集合組。每個(gè)單元里的體素將顯示為組。每個(gè)單元包含許多入口，通過這些入口可以觀察其他單元。從結(jié)腸中選擇的起始點(diǎn)開始并且向終點(diǎn)方向沿中心線1001移動(dòng)，細(xì)分結(jié)腸。當(dāng)沿中心線到達(dá)預(yù)定的界限距離，接著將結(jié)腸分成單元(例如，圖10中的單元1003，1005和1007)。界限距離是基于實(shí)行可視化技術(shù)的平臺(tái)的規(guī)格，并且此平臺(tái)可以儲(chǔ)存和處理。單元大小直接與體素的數(shù)目相關(guān)，平臺(tái)可以儲(chǔ)存和處理此數(shù)目。界限距離的一個(gè)例子是5cm，盡管距離可以很不相同。如圖10，每個(gè)單元有兩個(gè)作為入口的橫截面，便于從單元外面觀察。
圖9中的步驟901確認(rèn)了所選擇器官里的單元，此單元現(xiàn)在包含照相機(jī)。當(dāng)前單元將與所有其他單元一樣顯示，這些其他單元是從給定的照相機(jī)的方向可見的。步驟903建立了從照相機(jī)(從確定的入口)潛在可見的單元的等級(jí)數(shù)據(jù)的試探樹(樹圖)，下面將會(huì)詳細(xì)說明。試探樹為每個(gè)照相機(jī)可能可見的單元包含一個(gè)節(jié)點(diǎn)。一些單元可能是透明的，沒有任何成塊主體，這樣在單個(gè)方向?qū)⒖梢姸鄠€(gè)單元。步驟905儲(chǔ)存了單元的體素的子集，子集包含相鄰單元邊緣的交集并且為了更有效的確定哪些單元是可見的，將它們儲(chǔ)存在試探樹的外邊緣。
步驟907檢查試探樹里是否有循環(huán)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)單個(gè)單元的兩個(gè)或者更多邊緣都與同一附近單元相鄰時(shí)，會(huì)出現(xiàn)循環(huán)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)單個(gè)單元被另一個(gè)單元包圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)循環(huán)節(jié)點(diǎn)。如果在試探樹上確認(rèn)了循環(huán)節(jié)點(diǎn)，方法繼續(xù)到步驟909。如果沒有循環(huán)節(jié)點(diǎn)，流程到步驟911。
步驟909合并兩個(gè)單元，使循環(huán)節(jié)點(diǎn)成為一個(gè)大節(jié)點(diǎn)。相應(yīng)的修改了試探樹。這解決了由于循環(huán)節(jié)點(diǎn)引起的兩次觀察同一個(gè)單元的問題。在所有確認(rèn)的循環(huán)節(jié)點(diǎn)上實(shí)行此步驟。流程到步驟911。
步驟911接著以最大Z值初始化Z-緩沖。Z值規(guī)定了沿骨干路徑離照相機(jī)的距離。接著遍歷樹，首先檢查每個(gè)節(jié)點(diǎn)的交集值。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)交集被包含，意味著當(dāng)前入口序列是封閉的(這由Z緩沖檢測(cè)確定)，接著停止在樹的當(dāng)前分枝遍歷。步驟913遍歷每個(gè)分枝以檢查節(jié)點(diǎn)是否被包含，并且如果它們沒有被包含就顯示它們。
步驟915接著使用此領(lǐng)域多種已知技術(shù)(例如，利用合成的體積著色)之一從步驟913中確認(rèn)的可見單元里的體積元素建立顯示在操作員屏幕上的圖像。顯示的單元僅僅是那些被確認(rèn)為潛在可見的。技術(shù)限制了單元的數(shù)目，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和為了較好性能而相應(yīng)的增加顯示速度，需要計(jì)算這個(gè)數(shù)目?，F(xiàn)有技術(shù)計(jì)算所有可能可視數(shù)據(jù)點(diǎn)，無論它們是否實(shí)際可視，此技術(shù)對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)是一個(gè)改進(jìn)。
圖11A是器官的兩維入口表示，利用導(dǎo)引行進(jìn)技術(shù)探測(cè)所述器官，并且該器官需要顯示給操作員。器官1101顯示了兩側(cè)壁1102和在路徑中心的物體1105。器官被分成4個(gè)單元A 1151，B 1153，C 1155和D 1157。照相機(jī)1103朝向單元D 1157并且有由可視向量1107、1108定義的可視區(qū)域，可以確認(rèn)錐形區(qū)域。有可能看到的單元是單元B 1153，C 1155和D 1157。單元C 1155被單元B完全包圍并且這樣組成了一個(gè)節(jié)點(diǎn)循環(huán)。
圖11B是從圖11A中生成的試探樹圖的表示。包含照相機(jī)的節(jié)點(diǎn)A 1109在樹圖的根部。視線或者視角，它們是沒有被阻擋的可視路徑，引向節(jié)點(diǎn)B1110。節(jié)點(diǎn)B引導(dǎo)可視線到節(jié)點(diǎn)C 1112和節(jié)點(diǎn)D 1114，并且圖中以連接的箭頭表示。在照相機(jī)觀察方向的節(jié)點(diǎn)C 1112的視線與節(jié)點(diǎn)B 1110聯(lián)合。節(jié)點(diǎn)C1112和節(jié)點(diǎn)B 1110將組成圖11C中所示的大節(jié)點(diǎn)B` 1122。
圖11C顯示了包含照相機(jī)并且與節(jié)點(diǎn)B` 1122(包含節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C)相鄰的節(jié)點(diǎn)A 1109和節(jié)點(diǎn)D 1114。節(jié)點(diǎn)A，B`和D將至少展示一部分給操作員。
圖12A-12E說明了包含有阻擋視線物體的單元的修正Z緩沖的應(yīng)用。物體可以是在結(jié)腸某部分里的廢物。圖12A顯示了有10個(gè)潛在單元的虛擬空間，10個(gè)單元為A 1251，B 1353，C 1255，D 1257，E 1259，F(xiàn) 1261，G 1263，H 1265，I1267和J 1269。一些單元包含物體。如果照相機(jī)1201位于單元I 1267內(nèi)并且照相機(jī)朝向單元F 1261，如可視向量1203所示。接著根據(jù)圖9中流程圖說明的技術(shù)生成試探樹。圖12B顯示了有交集節(jié)點(diǎn)的生成試探樹，用于顯示圖12A中所示的虛擬表示。圖12B中，單元I 1267是樹圖的根節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗障鄼C(jī)1201。節(jié)點(diǎn)I 1211指向節(jié)點(diǎn)F 1213(圖中的箭頭所示)，這因?yàn)閱卧狥直接與照相機(jī)的視線相連。節(jié)點(diǎn)F 1213指向節(jié)點(diǎn)B 1215和節(jié)點(diǎn)E 1219。節(jié)點(diǎn)B 1215指向節(jié)點(diǎn)A 1217。節(jié)點(diǎn)C 1202完全擋開照相機(jī)1201視線，由此它不包含在試探樹圖中。
圖12C顯示了節(jié)點(diǎn)I 1211在顯示給操作員中著色后的試探樹圖。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)I 1211已經(jīng)被顯示了，接著它離開了試探樹圖，節(jié)點(diǎn)F 1213成為根節(jié)點(diǎn)。圖12D表示節(jié)點(diǎn)F1213現(xiàn)被描色而與節(jié)點(diǎn)I1211相連。接著檢查樹中由箭頭相連的下一級(jí)節(jié)點(diǎn)，看它們是否已經(jīng)被包含(已經(jīng)被處理)。在此實(shí)施例中，從位于單元I1267中的照相機(jī)的所有相交節(jié)點(diǎn)都被包含，這樣節(jié)點(diǎn)B 1215(并且從而依賴節(jié)點(diǎn)A)不需要著色用于顯示。
圖12E顯示了被檢查以確定是否包含了其交集的節(jié)點(diǎn)E 1219。由于它已經(jīng)被包含，在圖12A-12E的此例中僅僅著色的節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)I和F，同時(shí)由于節(jié)點(diǎn)A，B和E是不可見的，它們不必要準(zhǔn)備其單元被檢查。
圖9中說明的修正Z緩沖技術(shù)允許小計(jì)算量并且可以應(yīng)用于由體素或者其他數(shù)據(jù)元素表示的物體，例如多邊形。
圖13顯示沿其一壁有大息肉的結(jié)腸的兩維虛擬視圖。圖13顯示將被進(jìn)一步檢查的所選擇病人結(jié)腸部分。視圖顯示了兩結(jié)腸壁1301和1303，腫瘤顯示為1305。層1307，1309和1311表示腫瘤的內(nèi)層。醫(yī)生可以剝落息肉或者腫瘤的層以觀察腫塊里面是否有癌癥的或者其他有害的物質(zhì)。這個(gè)過程將有效的實(shí)行虛擬活組織切片檢查而不需要切入組織。一旦體素虛擬地表示結(jié)腸，剝落物體的層的過程可以用圖4到8中相關(guān)說明方法簡(jiǎn)單的實(shí)行。腫塊也可以被切片，這樣可以檢查特定的橫截面。在圖13中，可以生成平截面1313，這樣可以檢查腫瘤的多個(gè)特定部分。而且，用戶確定的切片1319可以在腫瘤中使用任何方法得到?？梢匀缦滤龅膭兟浠蛘咝薷捏w素1319。
轉(zhuǎn)移函數(shù)可以在感興趣區(qū)域的每個(gè)體素上實(shí)行，它可以使物體透明，半透明或者不透明，通過改變表示每個(gè)體素的透明度的系數(shù)?；谄涿芏戎付ú煌该飨禂?shù)給每個(gè)體素。映射函數(shù)接著轉(zhuǎn)化密度值為表示其透明度的系數(shù)。掃描體素的高密度將表示壁或者除了簡(jiǎn)單開放空間的其他密集物質(zhì)。操作員或者程序?qū)⒏淖円粋€(gè)體素或者一組體素的不透明系數(shù)以使它們?cè)跐撍д障鄼C(jī)模型中顯示為透明的或者半透明的。例如操作者可以觀察整個(gè)腫瘤的內(nèi)部或外部?；蛘呤挂粋€(gè)透明的體素顯現(xiàn)出來如圖9中顯示步驟所不顯示的。物體部分的合成物可以使用此部分體素不透明系數(shù)的加權(quán)平均值產(chǎn)生。
如果醫(yī)生想觀察息肉的不同層以尋找癌癥區(qū)域，可以移除息肉1305的外層，現(xiàn)出第一層1307。而且，第一內(nèi)層1307可以被剝開以觀察第二內(nèi)層1309。第二內(nèi)層可以被剝開以觀察第三內(nèi)層1311，等。醫(yī)生也可以切開息肉1305并且觀察僅僅位于期望部分的那些體素。切片區(qū)域可以完全由用戶確定。
增加不透明系數(shù)也可以使用其他方法用于幫助虛擬系統(tǒng)的探測(cè)。如果顯示廢物并且廢物有相同于一定已知范圍內(nèi)的其他屬性的密度，廢物可以通過在檢測(cè)中改變其不透明系數(shù)變成對(duì)虛擬照相機(jī)透明的。這將允許病人不必在檢查手續(xù)前服清洗劑并且使檢查更快更簡(jiǎn)單。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，可類似地使其他物體不顯現(xiàn)。而且，可以通過對(duì)比劑接著使用合適的轉(zhuǎn)移函數(shù)以電子方式加強(qiáng)一些物體，例如息肉。
圖14顯示了使用此說明書所述的技術(shù)實(shí)行物體(例如人體器官)虛擬檢查的系統(tǒng)。病人1401躺在平臺(tái)1402上，同時(shí)掃描設(shè)備1405掃描包含有被查器官的區(qū)域。掃描設(shè)備1405包含掃描部分1403，它可以真實(shí)的取得病人的圖像，設(shè)備還包含電子部分1406。電子部分1406包含接口1407，中央處理器1409，用于暫時(shí)儲(chǔ)存掃描數(shù)據(jù)的內(nèi)存1411，和第二接口1413用于發(fā)送數(shù)據(jù)到虛擬行進(jìn)平臺(tái)。接口1407和1413可以包含于單個(gè)接口元件或者是同一個(gè)元件。部分1406中的元件與通常的連接器相連。
在系統(tǒng)1400中，設(shè)備1403的掃描部分提供的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)移到部分1405用于處理并且內(nèi)儲(chǔ)存在內(nèi)存1411中。中央儲(chǔ)存單元1409轉(zhuǎn)化掃描的2D數(shù)據(jù)成3D體素?cái)?shù)據(jù)并且儲(chǔ)存結(jié)果到內(nèi)存1411的另一個(gè)部分。另一方面，轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)還可以直接送到接口單元1413以便轉(zhuǎn)移到虛擬行進(jìn)終端1416。2D數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化可以在從接口1413發(fā)送到后在虛擬行進(jìn)終端1416中實(shí)行。在較佳實(shí)施例中，轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)通過載體1414傳送到虛擬行進(jìn)終端1416，為了便于操作員進(jìn)行虛擬檢查。也可以使用其他傳統(tǒng)的方法(例如儲(chǔ)存數(shù)據(jù)到儲(chǔ)存媒介并且物理的轉(zhuǎn)移它到終端1416或者使用衛(wèi)星傳送)傳送數(shù)據(jù)。
掃描數(shù)據(jù)可以不被轉(zhuǎn)化成3D表示直到可視化著色引擎需要它為3D的格式。這節(jié)省了計(jì)算過程和儲(chǔ)存空間。
虛擬行進(jìn)終端1416包含觀察虛擬器官或者其他掃描圖像的屏幕，電子部分1415和接口控制1419例如鍵盤、鼠標(biāo)或者滾球。電子部分1415包含接口端口1421，中央處理器1423，其他運(yùn)行終端必要的元件1427和存儲(chǔ)器1425。終端1416中元件與通常的連接器相連。轉(zhuǎn)化后體素?cái)?shù)據(jù)在接口端口1421中收到并且儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器1425里。中央處理器1423接著匯編3D體素為虛擬表示并且運(yùn)行潛水艇照相機(jī)模型以實(shí)行虛擬檢查，如圖2和3所述。當(dāng)潛水艇照相機(jī)通過虛擬器官，圖9中所述的可視化技術(shù)僅僅計(jì)算那些從照相機(jī)可以看見的區(qū)域并且將它們顯示在屏幕1417上。也可以在生成表示中使用圖形加速器。操作員可以使用接口設(shè)備1419來指示想探測(cè)掃描身體的那個(gè)部分。界面設(shè)備1419還可以用于控制和移動(dòng)潛水艇照相機(jī)，如圖2所述和其相應(yīng)描述所期望的。終端部分1415可以是Cube-4的專用系統(tǒng)包，一般可以從位于Stony Brook的紐約州立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系得到。
掃描設(shè)備1405和終端1416，或者其中部分，可以是同一單元的部分。可以使用單一平臺(tái)接收掃描圖像數(shù)據(jù)，如果必要轉(zhuǎn)化它為3D體素并且實(shí)行導(dǎo)引行進(jìn)。
系統(tǒng)1400中一個(gè)重要特征是可以稍后檢查虛擬器官而不需要病人在場(chǎng)。而且，虛擬檢查可以在掃描病人的同時(shí)進(jìn)行。掃描數(shù)據(jù)也可以被送到多個(gè)終端，這將允許多個(gè)醫(yī)生同時(shí)的觀察器官內(nèi)部。這樣位于紐約的醫(yī)生可以與位于加州的醫(yī)生同時(shí)觀察器官的同一部分并且討論病案。還可以在不同時(shí)間觀察數(shù)據(jù)。兩個(gè)或者多個(gè)醫(yī)生可以在不同情況實(shí)行他們各自的對(duì)相同數(shù)據(jù)的檢查。可以使用多個(gè)虛擬行進(jìn)終端觀察同一掃描數(shù)據(jù)。通過離散數(shù)據(jù)組以虛擬器官再現(xiàn)器官，在此領(lǐng)域中有很多好處，例如精確性，費(fèi)用和數(shù)據(jù)可操作性。
上述的技術(shù)可以在虛擬結(jié)腸鏡檢查應(yīng)用中通過使用改進(jìn)的電子結(jié)腸清潔技術(shù)進(jìn)一步提高。改進(jìn)的電子檢查清潔技術(shù)使用改進(jìn)的腸準(zhǔn)備操作，接著圖像分割操作，這樣在計(jì)算機(jī)X射線斷層造影(CT)或者核磁共振成像(MRI)掃描時(shí)留在結(jié)腸里的液體和糞便可以檢測(cè)到并且從虛擬結(jié)腸鏡成像中移除。通過使用這樣的技術(shù)，通常的物理清洗結(jié)腸，和其相關(guān)的不便和不舒服，被最小化或者完全避免。
參考圖15，電子結(jié)腸清潔的第一步是腸準(zhǔn)備(步驟1510)，它先于實(shí)行CT或者核磁共振成像(MRI)掃描操作，并且它企圖使殘留在結(jié)腸里的糞便和液體的成像屬性與充氣的結(jié)腸內(nèi)部和結(jié)腸壁的成像屬性有極大差別。示例的腸準(zhǔn)備操作包含在CT或者M(jìn)RI掃描前一天服250cc劑量的2.1％W/V的硫酸鋇懸浮液，例如紐約Westbury的E-Z-EM公司生產(chǎn)的。一天三次并且可以隨飯服。硫酸鋇用作增強(qiáng)殘留在結(jié)腸中糞便的成像。除了服硫酸鋇，最好在CT或者M(jìn)RI掃描前一天多喝液體。越桔果汁可以提供較多的腸液體并且最好使用它，盡管也可以喝水。在CT掃描前夜和CT掃描早上，可以服60ml的泛影葡胺甲基葡胺和泛影葡胺鈉溶劑(商品名MD-Gastroview，密蘇里州St.Louis的Mallinckrodt公司生產(chǎn))以增強(qiáng)結(jié)腸液體的成像屬性。可以添加磷酸鈉到溶液中以液體化結(jié)腸內(nèi)的糞便，它提供了更加一致的對(duì)結(jié)腸液體和殘留糞便的成像屬性的增強(qiáng)。
上述實(shí)施例首先的腸準(zhǔn)備操作可以避免對(duì)通常的結(jié)腸清洗規(guī)程的需要，通常它需要在CT掃描前服用一加侖Golytely溶液。
實(shí)行CT掃描前，靜脈內(nèi)注射1ml高增血糖素，(由印第安納州印第安納波利斯的Ely Lily and Company生產(chǎn))可以控制最小化結(jié)腸折疊。接著，使用大約1000cc壓縮氣體(例如CO2或者室內(nèi)空氣)充氣結(jié)腸，可以從直腸管引入。在此，進(jìn)行通常的CT掃描以獲得結(jié)腸區(qū)域的數(shù)據(jù)(步驟1520)。例如，可以使用GE/CTI螺旋方式掃描器以5mm螺旋模式，1.5-2.0∶1間距重建1mm切片，運(yùn)行得到數(shù)據(jù)，其中間距是基于病人的高度以已知方法調(diào)節(jié)。此操作可以使用120kVp和200-280ma的圖像傳輸協(xié)議?？梢垣@得數(shù)據(jù)并且以1mm厚度切片圖像，在觀察區(qū)域512×512象素的陣列大小(依賴于病人的大小從34cm到40cm不等)重建圖像。這些情況下切片的數(shù)量依賴于病人的高度從300到450不等。成像數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化成體積元素或者體素(步驟1530)。
可以用很多方法實(shí)行成像分割。在成像分割的一個(gè)現(xiàn)有方法中，使用局部鄰接技術(shù)根據(jù)相似強(qiáng)度值分類圖像數(shù)據(jù)的體素。在此方法中，獲得的圖像的每個(gè)體素參考一組相鄰體素計(jì)算。感興趣體素參照中心體素并且有相關(guān)強(qiáng)度值。通過比較中心體素的值和它每個(gè)鄰接的值建立每個(gè)體素的分類指示器。如果鄰接有與中心體素相同的值，分類指示器的值增加。然而，如果鄰接有與中心體素不同的值，分類指示器的值減少。中心體素接著分類為最大指示器值，它指示在局部鄰接中最一致的鄰接。每個(gè)分類指示特定的強(qiáng)度范圍，強(qiáng)度范圍反過來表示一個(gè)或者多個(gè)種類的被成像材料。可以使用混合概率函數(shù)到得到的近似分類來進(jìn)一步改進(jìn)方法。
成像分割的可替換過程是實(shí)行下面兩個(gè)重要操作低層處理和高層特征抽取。在低層處理時(shí)，身體輪廓以外的區(qū)域不作進(jìn)一步處理并且身體輪廓內(nèi)的體素根據(jù)很好定義過的強(qiáng)度特征類別進(jìn)行粗分類。例如，腹部區(qū)域的CT掃描生成了一套數(shù)據(jù)，它往往展示較好定義的強(qiáng)度分布。圖16中的圖像以示例性柱狀圖說明了強(qiáng)度分布，柱狀圖包含四個(gè)較好定義的峰值，1602、1604、1606、1608，可以根據(jù)強(qiáng)度閾值分類它們。
腹部CT數(shù)據(jù)組的體素被根據(jù)強(qiáng)度閾值粗分類為四個(gè)簇(步驟1540)。例如，簇1可以包含強(qiáng)度小于140的體素。此簇一般對(duì)應(yīng)于充氣結(jié)腸內(nèi)最低密度區(qū)域。簇2可以包含強(qiáng)度值超過2200的體素。這些強(qiáng)度值相應(yīng)于增強(qiáng)了成像屬性的結(jié)腸內(nèi)糞便和液體和骨頭。簇3包含強(qiáng)度值在大約900到1080范圍里的體素。此強(qiáng)度范圍一般表示軟組織，例如脂肪和肌肉，它們與結(jié)腸沒有關(guān)聯(lián)。剩下的體素可以接著分組成簇4，它們與結(jié)腸壁(包含結(jié)腸壁周圍的黏膜和部分體積混合物)和肺組織和軟骨有關(guān)聯(lián)。
簇1和3在確定結(jié)腸壁中不是特別有用并且從而在虛擬結(jié)腸鏡檢查的成像分割過程中不是屬于基本處理。與簇2相關(guān)的體素在將糞便和液體隔離開結(jié)腸壁中是重要的并且在高層特征抽取操作中進(jìn)一步處理。低層處理集中于第四簇，它最高可能性相應(yīng)于結(jié)腸組織(步驟1550)。
對(duì)于第四簇中的每個(gè)體素，使用其本身或者其鄰接生成了一個(gè)強(qiáng)度向量。強(qiáng)度向量提供了給定體素的周圍體素的強(qiáng)度改變的指示。用于建立強(qiáng)度向量的鄰接體素的數(shù)目不是關(guān)鍵的，但是包含處理代價(jià)和精確性之間的權(quán)衡。例如，一個(gè)簡(jiǎn)單的體素強(qiáng)度向量可以用七(7)個(gè)體素建立，它包含了感興趣的體素，它的前鄰接和后鄰接，它的左鄰接和右鄰接和它的頂鄰接和底鄰接，在三維正交基中所有圍繞著感興趣體素的體素。圖17是說明示例性強(qiáng)度向量以25個(gè)體素強(qiáng)度向量模式的透視圖，它包含選中體素1702和體素1702的第一、第二和第三次序鄰接。選中的體素1702是此模型的中心點(diǎn)并且被看做是固定的體素。體素的平切片，在固定體素所在平面包含12個(gè)鄰接，稱為固定切片1704。在固定切片的鄰接平面上是兩個(gè)最近的切片1706，各有5個(gè)體素。鄰接第一最近切片1706的是兩個(gè)第二最近切片1708，各有一單個(gè)體素。第四簇里每個(gè)體素的強(qiáng)度向量集合稱為局部向量序列。
因?yàn)楦共繄D像的數(shù)據(jù)組包含多于300個(gè)切片圖像，每個(gè)為512×512的體素陣列，并且每個(gè)體素與25個(gè)體素局部向量相關(guān)，期望在局部向量序列上實(shí)行特征分析(步驟1570)以減少計(jì)算負(fù)擔(dān)。一個(gè)這樣的特征分析是主要成分分析(PCA)，它可以應(yīng)用于局部向量序列以確定簇4中體素的特征向量序列和正交變換矩陣的維數(shù)。
已經(jīng)了解，CT圖像強(qiáng)度的柱狀圖(圖16)趨向?qū)τ谔囟⊕呙杵?，給定等量準(zhǔn)備和掃描參數(shù)，從病人到病人都是不變的。依賴于此觀察，可以建立正交變換矩陣，它是一個(gè)利用在相似條件下使用相同掃描器得到的許多套試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)定的矩陣。從此數(shù)據(jù)，變換矩陣，例如Karlhunen-Loeve(K-L)變換，可以以已知的方法產(chǎn)生。變換矩陣應(yīng)用于局部向量序列以產(chǎn)生特征向量序列。一旦在特征向量空間范圍，向量量化技術(shù)可以用于分類特征向量序列。
可以使用一個(gè)解析的自適應(yīng)算法來分類特征向量。定義此算法中，設(shè)置{Xi∈R4i＝1，2，3，...，N}為特征向量序列，其中N是特征向量的數(shù)目；K表示分類的最大數(shù)目；T是適用于數(shù)據(jù)組的門限。對(duì)于每個(gè)類，通過算法生成的表示元素。設(shè)ak為類k的一個(gè)表示元素并且nk是那個(gè)類中特征向量的個(gè)數(shù)。
算法的提綱是1.Set n1＝1；a1＝X1；K＝1；2.獲得類數(shù)目和類參數(shù)(ak，nk)for(i＝1；i＜N；i++)for(j＝1；j＜K；j++)計(jì)算 dj＝dist(Xi，aj)；end forindex＝arc min dj；if((dindex＜T)jor(K＝K))更新類參數(shù)aindex=1nindex+1×(nindex·aindex+Xi);]]>nindex＝nindex+1；end if
else生成新類ak+1＝Xi；nk+1＝1；K＝K+1；end elseend for3.根據(jù)最靠近鄰接原則給每個(gè)特征向量標(biāo)號(hào)for(i＝1；i＜N；i++)for(j＝1；j＜K；j++)計(jì)算 dj＝dist(Xi，aj)；end forindex＝arc min dj；給體素i標(biāo)號(hào)類indexend for在此算法中，dist(x，y)是向量x和y之間的歐氏距離，并且arc min dj給定整數(shù)j，它體現(xiàn)dj的最小值。
上述算法僅僅依賴參數(shù)T和K。然而，K的值關(guān)于每個(gè)體素中分類的數(shù)目，它不是關(guān)鍵的并且可以被設(shè)置成常量，例如K＝18。然而，T是向量相似門限，極大的影響分類結(jié)果。如果T的選擇值太大，將僅僅只生成一個(gè)單類。另一方面，如果T的值太小，結(jié)果類將顯示不需要的冗余。通過設(shè)置T的值與特征向量序列的最大組件偏差相等，得到最大數(shù)量的不同的分類。
初始分類過程的結(jié)果是，選中簇的每個(gè)體素被指定到一個(gè)分類(步驟1570)。在虛擬結(jié)腸鏡檢查的實(shí)施例中，在簇4中有很多類。這樣，下一個(gè)任務(wù)是確定簇4中幾個(gè)類中哪個(gè)相應(yīng)于結(jié)腸壁。特征向量的第一坐標(biāo)，它是顯示最高偏差的特征向量的坐標(biāo)，它反映了3D局部體素強(qiáng)度平均信息。特征向量剩下的坐標(biāo)包含局部鄰接里方向強(qiáng)度改變信息。因?yàn)榻Y(jié)腸內(nèi)壁體素一般很接近簇1的氣體體素，可以通過從典型CT數(shù)據(jù)組的典型結(jié)腸壁強(qiáng)度中所選的數(shù)據(jù)采樣粗分辨結(jié)腸壁體素選擇物來確定門限間隔。為每個(gè)特殊成像協(xié)議和設(shè)備選擇了特殊的門限值。門限間隔可被應(yīng)用于所有的CT數(shù)據(jù)組(用相同的機(jī)器，使用相同的成像協(xié)議獲得)。如果表示元素的第一坐標(biāo)位于門限間隔內(nèi)，相應(yīng)的類被認(rèn)為結(jié)腸壁類并且那個(gè)類中的所有體素被標(biāo)為結(jié)腸壁類似的體素。
每個(gè)結(jié)腸壁類似的體素是結(jié)腸壁體素的候選物。不是結(jié)腸壁有三個(gè)可能情況。第一情況關(guān)于靠近結(jié)腸內(nèi)糞便/液體的體素。第二種情況當(dāng)體素位于肺組織區(qū)域內(nèi)時(shí)出現(xiàn)。第三種情況表示粘膜體素。接著很清楚，低層分類帶來一定的分類不確定性。低層分類不確定性的原因不同。例如，由包含多種材料類型(例如液體和結(jié)腸壁)的體素引起的部分體積影響導(dǎo)致第一種不確定。第二和第三中不確定是因?yàn)椴糠煮w素影響和CT圖像的低對(duì)比度。為了解決這些不確定，需要額外信息。這樣，基于CT圖像的先驗(yàn)解剖知識(shí)，本方法應(yīng)用高層特征抽取過程以進(jìn)一步將結(jié)腸壁候選物從其他結(jié)腸壁相似體素中分出(步驟1580)。
高層特征抽取過程的初始步驟是從低層分類結(jié)果中消除肺組織區(qū)域。圖18A是示例性的切片圖像，清楚的說明了肺區(qū)域1802。肺區(qū)域1802可以辨認(rèn)為被結(jié)腸壁類似體素包圍的一般連續(xù)三維體積，如圖18B中所示。有此特征，可以使用區(qū)域增長(zhǎng)策略辨認(rèn)肺區(qū)域。此技術(shù)的第一步是尋找增長(zhǎng)區(qū)域中的種子體素。較佳的，實(shí)行CT成像掃描的操作員設(shè)置成像區(qū)域，這樣CT掃描的最頂端切片將不包含任何結(jié)腸體素。在肺的內(nèi)部應(yīng)該充入空氣，低層分類通過簡(jiǎn)單選擇空氣體素提供了種子。一旦確定了圖18的肺區(qū)域輪廓，可以從圖像切片中移除肺體積(圖18C)。
實(shí)行高層特征抽取的下一步是將骨頭體素從簇2中增強(qiáng)了成像屬性的糞便/液體體素中分開。骨頭組織體素1902一般離結(jié)腸壁較遠(yuǎn)并且位于結(jié)腸體積外。相反的，殘留糞便1906和液體1904包圍在結(jié)腸體積里。合并先驗(yàn)的近似信息和從低層分類過程得到的結(jié)腸壁信息，生成了粗略的結(jié)腸壁體積。被多個(gè)預(yù)定數(shù)目(例如，3個(gè))的體素單元從結(jié)腸壁和結(jié)腸體積外面的分割的任何體素，將標(biāo)為骨頭并且接著從圖像中除去。簇2中剩下的體素可以被假定為表示結(jié)腸體積里的糞便和液體(參考圖19A-C)。
結(jié)腸體積中的標(biāo)為糞便1906和液體1904的體素可以從圖像中移除以生成清潔過的結(jié)腸內(nèi)腔和結(jié)腸壁圖像。一般的，有兩種糞便/液體區(qū)域。一個(gè)區(qū)域類型是附著在結(jié)腸壁上的小塊殘留糞便1906區(qū)域。另一個(gè)區(qū)域類型是大體積的液體1904，它們集合在盆狀的結(jié)腸褶皺里(參考圖19A-C)。
附著的殘留糞便區(qū)域1906可以被確認(rèn)并且移除，因?yàn)樗鼈兾挥诘蛯臃诸愡^程產(chǎn)生的大體結(jié)腸體積內(nèi)部。在盆狀的結(jié)腸褶皺里的液體1906有一水平的表面1908，因?yàn)橹亓Φ挠绊?。表面上通常是氣體區(qū)域，它顯示了相對(duì)于液體強(qiáng)度非常高的對(duì)比度。這樣，液體區(qū)域的表面界面可以簡(jiǎn)單的標(biāo)記。
使用區(qū)域增長(zhǎng)策略，附著糞便區(qū)域1906的輪廓可以被畫出，并且遠(yuǎn)離結(jié)腸壁體積的部分可以被移除。相似的，液體區(qū)域1904的輪廓也可以被畫出。在消去水平表面1908后，結(jié)腸壁輪廓也可以展現(xiàn)并且可以得到清潔過的結(jié)腸壁。
很難將粘膜體素和結(jié)腸壁體素分開。即使上述三維處理可以移除一些粘膜體素，但移除所有的粘膜體素很困難。在光學(xué)結(jié)腸鏡檢查中，醫(yī)生直接的檢查結(jié)腸粘膜并且基于粘膜的顏色和紋理尋找身體病變。在虛擬結(jié)腸鏡檢查中，結(jié)腸壁上的多數(shù)粘膜體素可以不理，以保留更多的信息。這多三維體素著色是很有用的。
從分割的結(jié)腸壁體積，結(jié)腸內(nèi)表面，結(jié)腸外表面和結(jié)腸壁本身可以以虛擬物體抽取和觀察。在結(jié)腸外壁可以和結(jié)腸內(nèi)壁一樣檢查時(shí)，這相對(duì)于傳統(tǒng)的光學(xué)結(jié)腸鏡檢查提供了很大優(yōu)勢(shì)。而且，結(jié)腸壁和結(jié)腸內(nèi)腔可以分別從切片獲得。
因?yàn)榻Y(jié)腸基本先于成像排空，通常遇到的問題是結(jié)腸內(nèi)腔在許多地方塌陷。盡管用壓縮氣體(例如空氣或者CO2)膨脹結(jié)腸，減少了塌陷區(qū)域的產(chǎn)生頻率，但還是出現(xiàn)塌陷區(qū)域。在實(shí)行虛擬結(jié)腸鏡檢查中，很希望自動(dòng)的維持通過塌陷區(qū)域的行進(jìn)路徑并且還希望使用掃描圖像數(shù)據(jù)以至少部分的在塌陷區(qū)域重新生成結(jié)腸內(nèi)腔。上述的成像分割方法有效的導(dǎo)出結(jié)腸外壁和結(jié)腸內(nèi)壁，這信息可以用于增強(qiáng)生成通過塌陷區(qū)域的行進(jìn)路徑。
在延伸通過結(jié)腸塌陷區(qū)域或者擴(kuò)張結(jié)腸塌陷區(qū)域的行進(jìn)路徑中，第一步是診察塌陷區(qū)域。在結(jié)腸壁外周圍得圖像數(shù)據(jù)灰度值比結(jié)腸壁本身里面的灰度值改變得快得多，在其他區(qū)域例如脂肪，肌肉和其他類型的組織中也一樣，利用這種規(guī)則，可以使用熵分析來診察結(jié)腸圖像區(qū)域。
灰度值改變程度，例如沿中心線，可以由熵值表示或者測(cè)量。為了計(jì)算熵值，選擇了結(jié)腸壁外表面的體素。從上述的成像分割技術(shù)確定了這些點(diǎn)。一個(gè)5×5×5的立方窗口應(yīng)用于這些象素，以感興趣象素為中心。在計(jì)算熵值前，稍小的窗口(3×3×3)可以應(yīng)用到感興趣象素，為了從成像數(shù)據(jù)中過濾噪聲。所選擇的關(guān)于象素的窗口的熵值可以由下等式確定
E=Σic(i)ln(c(i))]]>其中E是熵并且C(i)是灰度值為i(i＝0，1，2，...，255)的窗口中點(diǎn)的數(shù)目。計(jì)算得到的每個(gè)窗口的熵值接著與預(yù)定的門限值比較。對(duì)于空氣區(qū)域，當(dāng)與組織區(qū)域比較時(shí)，熵值將很低。從而，沿結(jié)腸內(nèi)腔中心線，當(dāng)熵值增加并且超過預(yù)定的門限值，顯示了塌陷區(qū)域。門限的確切值并不關(guān)鍵并且將部分依賴成像協(xié)議和特定成像設(shè)備。
一旦診察到塌陷區(qū)域，以前確定的中心線行進(jìn)路徑可以通過一個(gè)體素寬的行進(jìn)線穿過塌陷區(qū)域中心延伸通過這些區(qū)域。
除了自動(dòng)延續(xù)虛擬照相機(jī)通過結(jié)腸內(nèi)腔的行進(jìn)路線，通過使用物理建模技術(shù)，結(jié)腸塌陷區(qū)域可以虛擬的張開，可以產(chǎn)生結(jié)腸壁的物理屬性的模型。從此模型，估計(jì)了拉格朗日等式中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，物質(zhì)密度，阻尼密度，拉伸系數(shù)和屈服系數(shù)。接著，根據(jù)結(jié)腸的彈性屬性，用公式表達(dá)了擴(kuò)張力模型(即，泵入結(jié)腸的氣體或者液體，例如空氣)并且應(yīng)用，如拉格朗日等式所定義的，這樣結(jié)腸成像的塌陷區(qū)域被還原成自然形狀。
為了模擬結(jié)腸，可以在結(jié)腸內(nèi)腔的塌陷區(qū)域或者障礙區(qū)域使用有限元模型。這可以通過將元素以規(guī)則的網(wǎng)格狀分布，例如一個(gè)8體素小長(zhǎng)方塊，接著使用傳統(tǒng)的體積著色技術(shù)?？商鎿Q的，不規(guī)則體積表示方法，例如四面體可以應(yīng)用于塌陷區(qū)域。
在應(yīng)用外力(空氣泵入)模型到結(jié)腸模型中，首先確定的外力的大小以便合適的分割塌陷結(jié)腸壁區(qū)域.?？梢允褂萌S增長(zhǎng)模型以平行方式描繪結(jié)腸壁內(nèi)表面和結(jié)腸壁外表面。從塌陷區(qū)域的起始點(diǎn)到增長(zhǎng)源點(diǎn)，標(biāo)記各自表面，并且力模型被用于擴(kuò)張表面到自然方式。外表面和內(nèi)表面之間的區(qū)域，即結(jié)腸壁，分類為共享區(qū)域。外部排斥力力模型應(yīng)用于這些共享區(qū)域以分割并且擴(kuò)張塌陷結(jié)腸壁部分到自然狀態(tài)。
為了更清楚的可視化虛擬物體(例如虛擬檢查中的結(jié)腸)的特征，提供物體以不同紋理著色是很有利的?？梢怨鈱W(xué)結(jié)腸鏡檢查中顯示的色彩圖像中觀察到的這些紋理，常常在CT圖像數(shù)據(jù)提供的黑色和白色的灰度圖像中丟失。從而在虛擬檢查中需要紋理成像的系統(tǒng)和方法。
圖20是說明生成有紋理成分的虛擬物體的現(xiàn)有方法的流程圖。此方法的目的是根據(jù)灰度單色CT圖像將光學(xué)結(jié)腸鏡檢查得到的紋理轉(zhuǎn)換為紅綠藍(lán)(RGB)色彩空間，如從人體中看到的，以生成虛擬物體。用傳統(tǒng)的數(shù)字成像獲得技術(shù)得到光學(xué)結(jié)腸鏡檢查圖像，例如數(shù)字“畫面強(qiáng)取者”1429從照相機(jī)(例如視頻照相機(jī))接收模擬光學(xué)圖像，并且轉(zhuǎn)化圖像為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，此數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以通過接口端口1431(圖14)提供給CPU 1423。此過程的第一步是分割CT成像數(shù)據(jù)(步驟2010)。上述的圖像分割技術(shù)可以應(yīng)用于在灰度圖像中選擇強(qiáng)度門限以歸類CT圖像數(shù)據(jù)為不同的組織類型，例如骨頭，結(jié)腸壁組織，空氣，或者其他。
除了在CT圖像數(shù)據(jù)上實(shí)現(xiàn)成像分割，也需要從光學(xué)圖像數(shù)據(jù)中抽取光學(xué)圖像的紋理特征(步驟2020)。為此，可以應(yīng)用高斯濾鏡到光學(xué)圖像數(shù)據(jù)，接著二次采樣以分解數(shù)據(jù)為多解金字塔，也可以應(yīng)用拉普拉斯濾鏡和可控的濾鏡到多解金字塔以獲得有方向和無方向數(shù)據(jù)特征。此方法在抽取和獲得紋理特征方面有效，實(shí)施此方法需要大量的內(nèi)存和運(yùn)算處理能力。
從光學(xué)圖像中抽取紋理特征的另一個(gè)方法是利用子波變換(wavelettransform)。然而，子波變換一般計(jì)算方面有效率，通常的子波變換限于僅僅捕獲方向平行于軸的特征并且不能直接應(yīng)用于感興趣區(qū)域。為了克服這些限制，可以使用無分割濾鏡。例如，可以應(yīng)用上升計(jì)劃以在任何維數(shù)建立子波變換的濾鏡組，使用以下兩步，預(yù)報(bào)和更新方法。可以使用多維多項(xiàng)式插值的Boor-Rom算法合成這樣的濾鏡組。
從光學(xué)圖像數(shù)據(jù)中抽取紋理特征后，必需生成模型以描述這些特征(步驟2030)。這是可行的，例如，使用基于估計(jì)和操作可歸因于自然紋理的非高斯熵分布的無參數(shù)多標(biāo)度統(tǒng)計(jì)模型。
一旦從光學(xué)圖像數(shù)據(jù)生成了紋理模型，必需實(shí)行紋理匹配以將這些模型與分割的CT圖像數(shù)據(jù)相關(guān)(步驟2050)。在紋理是連續(xù)的CT成像數(shù)據(jù)區(qū)域，匹配紋理分類簡(jiǎn)單。然而，在兩個(gè)或者多個(gè)紋理區(qū)域的邊界區(qū)域，處理較復(fù)雜。邊界區(qū)域周圍的CT數(shù)據(jù)分割常常導(dǎo)致失真數(shù)據(jù)，即結(jié)果反映了從每個(gè)物質(zhì)或者組織的紋理百分比并且依賴每個(gè)的不同加權(quán)而不同。加權(quán)百分比可以應(yīng)用來調(diào)節(jié)匹配準(zhǔn)則的重要性。
在無參數(shù)多標(biāo)度統(tǒng)計(jì)模型的情況時(shí)，交叉熵或者Kullback-Leiber發(fā)散算法可以應(yīng)用于測(cè)量邊界區(qū)域里不同紋理的分布。
在紋理匹配后，在CT圖像數(shù)據(jù)上實(shí)行紋理合成(步驟2050)。通過融合從光學(xué)圖像數(shù)據(jù)得到的紋理到CT圖像數(shù)據(jù)里。對(duì)于等方性紋理模型，例如骨頭所呈現(xiàn)的，可以直接從光學(xué)數(shù)據(jù)到分割的CT圖像數(shù)據(jù)采樣紋理。對(duì)于非等方性紋理，例如結(jié)腸粘膜，適宜使用多解采樣過程。在此過程，使用對(duì)同種和異種區(qū)域的選擇性再采樣。
體積著色除了上述的圖像分割和紋理映射，可以使用體積著色技術(shù)到虛擬檢查鏡檢查過程中以進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)果圖像的保真度。圖21說明了透視的體積射線投射方法，此方法可以應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的體積著色中。從選擇的虛擬視點(diǎn)，例如照相機(jī)位置，例如位于結(jié)腸內(nèi)腔，射線通過每個(gè)最近圖像象素投射(步驟2100)。對(duì)于每束射線，沿射線設(shè)置第一采樣點(diǎn)為當(dāng)前圖像象素(步驟2110)。接著確定當(dāng)前采樣點(diǎn)和最近結(jié)腸壁之間的距離(d)(步驟2120)。將當(dāng)前距離(d)與預(yù)定的采樣間隙(i)比較(步驟2130)。如果距離(d)比采樣間隙(i)大，則不采樣并且沿射線的下一個(gè)采樣點(diǎn)確定為沿射線跳過距離d。如果距離小于或者等于采樣間隙(i)則通常的采樣是在此點(diǎn)實(shí)行(步驟2150)并且下一個(gè)采樣點(diǎn)根據(jù)采樣間隙(i)確定(步驟2160)。例如，可以在8個(gè)相鄰體素的密度值中實(shí)行三線插值以確定在采樣點(diǎn)的新密度值。
圖21的方法有效的加速了射線投射，因?yàn)槭褂昧丝臻g跳躍技術(shù)以快速的沿成像平面到結(jié)腸壁的射線跳過空區(qū)域。在此方法中，沿每束射線確定從采樣點(diǎn)到最近結(jié)腸壁之間的距離。如果此距離大于如果距離比預(yù)定的采樣間隙(i)大，則實(shí)行沿射線跳到下一個(gè)采樣點(diǎn)。由于從應(yīng)用于虛擬照相機(jī)控制的勢(shì)場(chǎng)可以得到最近距離信息，不需要額外的編碼計(jì)算。在此情況，表面著色和Z-緩沖變換都不需要，這節(jié)省了預(yù)處理時(shí)間和儲(chǔ)存空間。
另一方面，空間跳躍方法可以從相應(yīng)表面著色圖像的Z-緩沖產(chǎn)生每束射線的距離信息。如果表面著色圖像和體積著色圖像都將產(chǎn)生，由于已經(jīng)作為表面著色方法的結(jié)果提供Z-緩沖信息，此方法提供了最小的處理代價(jià)。這樣，空間跳躍方法的形成僅僅需要額外處理實(shí)行從成像空間區(qū)域到整個(gè)空間區(qū)域的深度變換。
對(duì)于沿射線的距離(d)已經(jīng)在步驟2140中被越過的那些區(qū)域，沿射線的區(qū)域相應(yīng)于開放空間并且可以根據(jù)開放空間轉(zhuǎn)移函數(shù)指定其一個(gè)值。典型的，開放空間將不影響最終象素值。對(duì)于每個(gè)進(jìn)行采樣的點(diǎn)，可以應(yīng)用一個(gè)或者多個(gè)限定的轉(zhuǎn)移函數(shù)來映射原始體積數(shù)據(jù)采樣值的不同范圍到不同顏色和不透明度和其他可能的顯示參數(shù)。例如，應(yīng)用四個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)移函數(shù)通過映射CT密度值范圍到特定RGB顏色和不透明度(RGB顏色中每種原色的值在0到225之間)以確定不同材料。
虛擬活組織切片檢查上述的技術(shù)也可以形成實(shí)行被檢查區(qū)域的虛擬電子活組織切片檢查以實(shí)行靈活的并且非侵入的活組織切片檢查的系統(tǒng)的基礎(chǔ)。如上所述，體積著色技術(shù)使用一個(gè)或者多個(gè)確定的轉(zhuǎn)移函數(shù)來映射原始體積數(shù)據(jù)采樣值的不同范圍到不同顏色和不透明度和其他可顯示的用于導(dǎo)引行進(jìn)和觀察的參數(shù)。在導(dǎo)引行進(jìn)中，所選擇的轉(zhuǎn)移函數(shù)一般指定最大不透明度給結(jié)腸壁，這樣可以輕易的觀察外表面。一旦在虛擬檢查中診察到懷疑區(qū)域，醫(yī)生可以在體積著色中交互的改變變換函數(shù)，這樣觀察的外部表面變得基本透明，允許了合成區(qū)域信息并且這樣可以觀察區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。使用一定數(shù)量的預(yù)定轉(zhuǎn)移函數(shù)，可以以一定數(shù)量的不同深度觀察懷疑區(qū)域，在這個(gè)過程中可以指定不同的不透明度。
息肉診察本系統(tǒng)和方法可以應(yīng)用于實(shí)行自動(dòng)的息肉診察。參考圖13，例如在結(jié)腸中出現(xiàn)的息肉1305，一般的是從結(jié)腸壁1301上的小凸起象小山的結(jié)構(gòu)。它的幾何特征與結(jié)腸壁褶皺不同。這樣，可以使用不同的幾何模型來診察結(jié)腸壁上的息肉。
結(jié)腸內(nèi)腔表面可以表示為三維歐氏空間里二階可微的連續(xù)表面，例如使用C-2平滑表面模型。此模型在“Modern Geometry Methods and Application”，(B.A.Dubrovin等著，Springer-Verlag于1944年出版)中描述，這里引用全部文章作參考。在此模型中，結(jié)腸表面的每個(gè)體素都相關(guān)于有高斯曲率的幾何特征(成為高斯曲率領(lǐng)域)。表面上的凸起，可能預(yù)示息肉，有高斯曲率領(lǐng)域獨(dú)特的局部特征。相應(yīng)的，通過尋找特定表面局部特征的高斯曲率領(lǐng)域，可以診察息肉。一旦診察到，受懷疑的息肉可以著重顯示并且這樣吸引了醫(yī)生的注意，醫(yī)生可以測(cè)量受懷疑的息肉并且使用上述的虛擬活組織切片檢查方法來進(jìn)一步調(diào)查研究被懷疑區(qū)域。
中心行進(jìn)路徑的生成在虛擬結(jié)腸鏡檢查中，確定合適的通過結(jié)腸內(nèi)腔的導(dǎo)引行進(jìn)線，或者行進(jìn)路徑，是所述系統(tǒng)和方法的重要方面。雖然參考圖4-8討論了此類確定虛擬照相機(jī)模型的行進(jìn)路徑的技術(shù)，但圖22說明了生成通過結(jié)腸內(nèi)腔的中心行進(jìn)路徑的另一個(gè)方法。當(dāng)例如通過上述的圖像分割方法確定結(jié)腸壁后，可以使用體積收縮算法以強(qiáng)調(diào)結(jié)腸內(nèi)腔的趨向并且減少其后的在內(nèi)腔體積里搜索時(shí)間(步驟2310)。
圖23進(jìn)一步說明了示例性體積收縮算法的步驟，此算法基于多解分析模型。在此過程中，由一棧有相同矩陣大小的二進(jìn)制圖像表示三維體積(步驟2310)。這些圖像共同形成了一套二進(jìn)制數(shù)據(jù)。可以應(yīng)用離散子波變換到這套二進(jìn)制數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生一定數(shù)量的表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的不同時(shí)間—頻率成份的子數(shù)據(jù)。例如，離散子波變換可以產(chǎn)生8套子數(shù)據(jù)。將子數(shù)據(jù)與一定的閾值比較，這樣確定了最低頻率成份(步驟2330)。這個(gè)成份為后續(xù)的離散子波轉(zhuǎn)換和定閾值步驟形成二進(jìn)制數(shù)據(jù)組，該數(shù)據(jù)組被遞歸的施加到多解結(jié)構(gòu)中(步驟2340)。在虛擬結(jié)腸鏡檢查中，離散子波變換和相關(guān)定閾值可以遞歸的三次應(yīng)用于其后的表示最低頻率成份的子數(shù)據(jù)(3級(jí)多解分解)。
回到圖22，從縮減后的結(jié)腸體積模型，可以應(yīng)用距離映射技術(shù)以生成結(jié)腸兩端之間的最短路徑，即從直腸到盲腸(步驟2215)。結(jié)果路徑保持了結(jié)腸內(nèi)腔的整體趨向信息，但忽略了局部褶皺顯示的趨向。可以通過映射最短路徑回原始數(shù)據(jù)空間確定整個(gè)結(jié)腸里的控制點(diǎn)(步驟2220)。例如，3級(jí)多解分解中，縮減體積是原始體積的1/3并且已知的仿射變換可以應(yīng)用于準(zhǔn)確的映射縮減體積模型回原始度體積。也可以映射縮減值的最短路徑回原始標(biāo)度體積，作為一系列點(diǎn)，這些點(diǎn)可用作結(jié)腸內(nèi)的控制點(diǎn)。
較佳行進(jìn)路徑是在結(jié)腸內(nèi)腔中心線的路徑。然而，初始控制點(diǎn)可能不是準(zhǔn)確位于結(jié)腸內(nèi)腔中心線。這樣，初始控制點(diǎn)可以居中，例如使用二截面平面算法(步驟2230)。例如，在每個(gè)選擇的控制點(diǎn)二截面平面可以定義為與趨向方向垂直并且橫截結(jié)腸內(nèi)腔的平面。集中算法，例如最大圓盤算法，可以應(yīng)用于每個(gè)二截面平面。這樣的算法在文章“On the Generation of Skeleton from DiscreteEuclidean Distance Maps”(Ge等著，IEEE學(xué)報(bào)關(guān)于PAMI，Vol.18，pp.1055-1066，1996)中討論，這里引作參考。
一旦控制點(diǎn)靠近中心，可以通過用線連接這些點(diǎn)確定行進(jìn)路徑(步驟2240)。在虛擬結(jié)腸鏡檢查中，希望連接這些點(diǎn)的線是平滑的并且基本在結(jié)腸內(nèi)腔里居中?？梢允褂眉s束的三次B樣條插值算法(基于微分幾何理論里Serret-Frenet法則)建立合適的平滑曲線行進(jìn)路徑，在“Numeriacl Recipes in CThe Art ofScientific Computing″(Press等著，第二版，劍橋大學(xué)出版社，1992)中說明。
圖24中分割的結(jié)腸內(nèi)腔的圖示和圖25中的流程圖提出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)生成行進(jìn)路徑的方法。在此可替換方法里，首先沿內(nèi)腔2400的長(zhǎng)方向?qū)⒔Y(jié)腸內(nèi)腔2400的圖示分成一定數(shù)目的部分2402a-g(步驟2500)。從每個(gè)部分2402里選擇了2404a-g作為代表點(diǎn)(步驟2520)。接著參照結(jié)腸壁使每個(gè)代表點(diǎn)2404a-g靠近中心(步驟2530)，例如使用基于物理的可變形模型，此模型用于將點(diǎn)推到各自部分的中心。代表點(diǎn)居中后，連續(xù)的連接這些點(diǎn)以建立虛擬照相機(jī)模型中心線行進(jìn)路徑(步驟2540)。如果分割部分長(zhǎng)度足夠小，可以用直線段2406a-g連接這些中心點(diǎn)。然而，當(dāng)應(yīng)用線性曲線擬合技術(shù)來連接這些中心點(diǎn)時(shí)，可以得到平滑連續(xù)行進(jìn)路徑。
通過應(yīng)用如圖14所述的系統(tǒng)，使用控制CPU1409和CPU1423運(yùn)行的合適軟件，可以實(shí)行前述的每個(gè)方法。
適合于在個(gè)人電腦上實(shí)行的可替換的具體硬件實(shí)施例，在圖26中說明。系統(tǒng)包含處理器2600，處理器應(yīng)該是高速多任務(wù)處理器，例如時(shí)鐘頻率超過400MHZ的PIII處理器。處理器2600與通常的總線結(jié)構(gòu)2625耦合，總線結(jié)構(gòu)提供高速并行數(shù)據(jù)傳輸。存儲(chǔ)器2630，圖形卡2640，和體積著色卡2650也與總線結(jié)構(gòu)2625耦合。圖形卡2640最好可以實(shí)行紋理映射，例如DiamondMultimedia Systems生產(chǎn)的Diamond Viper v770圖形卡。體積著色卡2650可以是三菱電子生產(chǎn)的VolumePro卡，其基于美國(guó)專利號(hào)Nos.5,760,781和5,847,711，這里引用僅作參考。顯示設(shè)備2645，例如傳統(tǒng)的SVGA或者RGB顯示器，它與圖形卡2640耦合以顯示圖像數(shù)據(jù)。還提供掃描器接口卡2660以接收成像掃描器(例如MRI掃描器或者CT掃描器)的數(shù)據(jù)，并且發(fā)送這些數(shù)據(jù)到總線結(jié)構(gòu)2625。掃描器接口卡2660可以應(yīng)用所選擇成像掃描器的專用接口產(chǎn)品或者可以是一般用途的輸入/輸出卡。基于PC的系統(tǒng)2600一般將包含用于耦合I/O設(shè)備2680到處理器2620的I/O接口2670，I/O設(shè)備2680例如鍵盤，數(shù)字化指示器(例如，鼠標(biāo))和其他類似的?？商鎿Q的，I/O接口可以通過總線2625與處理器耦合。
在三維成像情況時(shí)，包含紋理合成和體積著色，需要大量的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。對(duì)于大的數(shù)據(jù)，例如那些表示結(jié)腸內(nèi)腔和其包圍區(qū)域的數(shù)據(jù)，這樣的處理可能很消耗時(shí)間和內(nèi)存。然而，使用根據(jù)圖27流程圖說明的處理方法的圖26所示布局，這樣的操作可以在相對(duì)低廉的個(gè)人電腦(PC)上實(shí)行。處理器2620通過掃描器接口卡2660和總線結(jié)構(gòu)2625接收成像數(shù)據(jù)并且儲(chǔ)存數(shù)據(jù)于主存2630。圖像數(shù)據(jù)(象素)被轉(zhuǎn)化為體積元素(體素)表示(步驟2710)。體積表示，它儲(chǔ)存于主存2630里，被劃分成，例如切片，例如沿主體積軸或者被成像區(qū)域的其他部分(步驟2720)。接著發(fā)送體積部分到體積著色卡并且暫時(shí)儲(chǔ)存于體積著色存儲(chǔ)器2655中以便體積著色操作(步驟2730)。本地著色儲(chǔ)存器2655的使用提高了運(yùn)行速度，這是由于當(dāng)著色整個(gè)體積的每個(gè)切片時(shí)不必要在總線2625上交換數(shù)據(jù)。一旦每個(gè)切片的體積著色都完成，發(fā)送著色后數(shù)據(jù)回到主存2630或者發(fā)送到連續(xù)緩沖器里的圖形卡2640(步驟2740)。使用感興趣的切片都著色后，圖形卡2640處理連續(xù)緩沖器的內(nèi)容以在顯示單元2645上顯示(步驟2750)。
前面僅僅說明了本發(fā)明的主要部分。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員將可以具體實(shí)施本發(fā)明的主要部分，并且盡管這里沒有明確顯示或者說明，在由本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可以設(shè)計(jì)許多系統(tǒng)、設(shè)備和方法。
例如，這里所述的方法和系統(tǒng)可以應(yīng)用于虛擬檢查動(dòng)物，魚類或者無生命物體。除了在醫(yī)療領(lǐng)域使用，本技術(shù)應(yīng)用可以應(yīng)用于檢查不能被打開的封裝物體的內(nèi)容。此技術(shù)還可以被用于建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，例如建筑物或者洞穴并且可以使操作員可以在結(jié)構(gòu)里導(dǎo)引行進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)行虛擬結(jié)腸內(nèi)腔檢查的方法，其特征在于，所述方法包含在檢查內(nèi)腔內(nèi)選擇觀察點(diǎn)；從所述觀察點(diǎn)投射射線通過每個(gè)圖像象素；確定沿每束射線從觀察點(diǎn)到結(jié)腸壁的距離；如果距離超過采樣間隙，則沿射線跳過所述距離并且給沿射線在所述距離上的點(diǎn)指定一開放空間轉(zhuǎn)移函數(shù)；如果所述距離不超過采樣間隙，則采樣此象素并且根據(jù)轉(zhuǎn)移函數(shù)確定其值。
2.一種實(shí)行虛擬結(jié)腸內(nèi)區(qū)域的活組織切片檢查的方法，其特征在于，所述方法包含給所述區(qū)域指定一初始轉(zhuǎn)移函數(shù)以在結(jié)腸里導(dǎo)引行進(jìn)；使用所述初始化轉(zhuǎn)移函數(shù)實(shí)行體積渲染著色；觀察區(qū)域；動(dòng)態(tài)的改變轉(zhuǎn)移函數(shù)以有選擇的改變觀察區(qū)域的不透明度；以及使用所述改變后轉(zhuǎn)移函數(shù)實(shí)行體積著色。
3.一種診察由多個(gè)體積單元表示的虛擬結(jié)腸的壁上的息肉的方法，其特征在于，所述方法包含將所述結(jié)腸壁表面表示為二階可微的面，其中每個(gè)表面體積單元有其相關(guān)的高斯曲率；在高斯曲率中尋找局部特征；以及從結(jié)腸壁表面將有相應(yīng)于象小山小凸起的局部特征分類為息肉。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包含在分類為息肉的結(jié)腸表面區(qū)域?qū)嵭刑摂M活組織切片檢查的步驟。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述實(shí)行虛擬活組織切片檢查的步驟包含給所述區(qū)域指定一初始轉(zhuǎn)移函數(shù)以在結(jié)腸里導(dǎo)引行進(jìn)；使用所述初始化轉(zhuǎn)移函數(shù)實(shí)行體積渲染著色；觀察區(qū)域；動(dòng)態(tài)的改變轉(zhuǎn)移函數(shù)以有選擇的改變觀察區(qū)域的不透明度；以及使用所述改變后轉(zhuǎn)移函數(shù)實(shí)行體積渲染著色。
全文摘要
一種利用體積可視化技術(shù)生成物體(例如器官)三維虛擬圖像并且利用導(dǎo)引行進(jìn)系統(tǒng)探測(cè)圖像的系統(tǒng)和方法，為了例如診察可視化器官中的息肉，囊腫或者其他異常特征，它允許操作員沿行進(jìn)路徑觀察并且可以調(diào)整視線到感興趣圖像的特定部分。也可以在確定的可視化物體里腫瘤或者塊上實(shí)行電子活組織切片檢查。改進(jìn)的行進(jìn)路徑生成方法和體積著色技術(shù)提供了對(duì)導(dǎo)引行進(jìn)通過感興趣區(qū)域并對(duì)此區(qū)域進(jìn)行檢查的增強(qiáng)。
文檔編號(hào)G06T15/00GK1900975SQ20061012150
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2000年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月18日
發(fā)明者A·E·考夫曼, 梁正榮, M·R·韋克斯, 宛銘, 陳冬青 申請(qǐng)人:紐約州立大學(xué)研究基金會(huì)