本發(fā)明屬于醫(yī)學圖像處理與科學計算可視化相結合的技術領域，特別是一種適用于復雜腔體的虛擬內窺鏡自動和交互式路徑規(guī)劃與導航方法。

背景技術：

在進行內窺鏡手術前，醫(yī)生一般通過二維ct/mri圖像判斷病灶信息，但是二維圖像非常不直觀，極大的依賴醫(yī)生的經驗。所以在術前利用虛擬內窺鏡對病灶進行觀察，輔助醫(yī)生的診斷過程，將極大的方便醫(yī)生進行手術。

虛擬內窺鏡充分利用ct/mri圖像數據來建立病灶區(qū)域的三維模型，然后通過設置中心路徑并控制虛擬相機進行內窺操作。這是一種完全無接觸式的檢查方法，能在清楚地觀察病灶的同時，不會對患者造成任何痛苦。

發(fā)明專利cn1788284a提出了對虛擬內窺鏡檢查進行快速自動中心線提取的方法和設備，但這種方法在中心線提取、路徑平滑以及碰撞檢測等方面需要大量的計算，由于實時性的要求，該方法不適用于腎臟等結構復雜腔體的虛擬內窺。發(fā)明專利cn105231978a提出了一種引導式虛擬內窺鏡導航方法，該方法不需要預先提取待檢查被測腔體的中心線，從而避免了中心線提取過程中的拓撲結構、噪聲干擾等問題，一定程度上提高了虛擬內窺鏡的成像效率，但是仍然需要在路徑平滑等方面花費大量時間。

技術實現要素：

本發(fā)明目的是解決現有虛擬內窺鏡不能應用于復雜腔體以及在路徑平滑等方面需要花費大量時間的問題，提供一種適用于復雜腔體的虛擬內窺鏡自動和交互式路徑規(guī)劃與導航方法。

本發(fā)明技術方案

一種適用于復雜腔體的虛擬內窺鏡自動和交互式路徑規(guī)劃與導航方法，該方法包括：

(1)通過成像設備獲得一組連續(xù)的人體二維切片；

(2)通過圖像分割方法提取出目標區(qū)域；

(3)利用分割出的圖像建立目標區(qū)域三維模型；

(4)通過拾取坐標點在模型內部規(guī)劃指導漫游的中心路徑；

(5)控制虛擬相機沿規(guī)劃好的中心路徑進行自動導航和交互式導航虛擬內窺。

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果：

本發(fā)明的虛擬內窺鏡自動和交互式路徑規(guī)劃與導航方法能夠應用于分支較多的復雜腔體，并能快速規(guī)劃平滑的中心路徑，并且不需要碰撞檢測計算，提高了成像效率，從而取得良好的虛擬內窺效果，而傳統(tǒng)的中心路徑規(guī)劃方法存在效率低下、無法處理多分支結構的對象、路徑不平滑等缺點。本發(fā)明通過拾取三維模型的一系列坐標點，并將其首尾相連來規(guī)劃路徑。這種方法易于操作，自由度高，可以任意規(guī)劃目標路徑而不受模型結構的限制，并且路徑點首尾相連、非常平滑。自動導航就是設置虛擬相機沿規(guī)劃好的導航路徑從起始點一直漫游到終點，這種方式不需要手動參與，但靈活性較差。交互式導航可以實現快捷的漫游，而且靈活性比較好，是目前最好的一種導航方式。但是，傳統(tǒng)的虛擬內窺鏡在交互導航的過程中由于用戶的過度交互容易導致虛擬相機到達模型外部造成“破壁而出”的現象，雖然可以通過碰撞檢測來防止“破壁而出”，但這會大大降低用戶操作的自由度。而且，在某些特殊的情況下可能需要觀察器官的外表面。為了解決這個矛盾，本發(fā)明的交互式導航采用移動相機當前路徑線段終點(也即下段路徑線段起點)坐標的方式，每交互一次，則線段終點(也即下段路徑線段起點)的坐標相應的移動一個單位距離，而下一段路徑終點的坐標不受影響。這樣，每當用戶過度交互出現“破壁而出”的現象時，虛擬相機在下一段路徑中就能夠迅速地自動回到預設的中心路徑。因此，通過拾取坐標點規(guī)劃路徑的方法在交互導航的過程中可以很好的解決“破壁而出”的問題，不需要復雜的碰撞檢測操作。

本發(fā)明具有：無創(chuàng)、安全、操作簡單、病灶信息豐富等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是虛擬內窺流程示意圖。

圖2是在面繪制泌尿系統(tǒng)三維模型上拾取坐標點的示意圖。

圖3是將圖2中拾取的坐標點首尾相連形成的中心路徑。

圖4是中心路徑通過泌尿系統(tǒng)內部膀胱、輸尿管以及腎盂腎盞示意圖。

具體實施方式

實施例1：

本發(fā)明提出的虛擬內窺鏡自動和交互式路徑規(guī)劃與導航方法流程如圖1所示。所述方法的具體步驟如下：

(1)通過成像設備獲得一組連續(xù)的人體二維切片；

(2)通過圖像分割方法提取出目標區(qū)域；

(3)利用分割出的圖像建立目標區(qū)域三維模型；

(4)通過拾取坐標點在模型內部規(guī)劃指導漫游的中心路徑；

(5)控制虛擬相機沿規(guī)劃好的中心路徑進行自動導航和交互式導航虛擬內窺。

例如，人體泌尿系統(tǒng)中腎臟內部腎盂和腎盞的結構復雜且分枝較多，利用本發(fā)明方法很容易規(guī)劃出其中心路徑來指導虛擬相機移動，不需要進行平滑和碰撞檢測，效果如下：

首先將ct圖像中的泌尿系統(tǒng)部分進行分割，利用marchingcubes面繪制算法建立泌尿系統(tǒng)的三維模型。然后通過拾取三維模型上的一系列坐標點，并將坐標點首尾相連形成中心路徑，路徑從膀胱開始經過輸尿管最終到達腎盂和腎盞內部。最后控制虛擬相機沿著規(guī)劃好的中心路徑進行自動導航和交互式導航虛擬內窺。

圖2給出了在泌尿系統(tǒng)三維模型上拾取坐標點的過程。vtk工具包中的vtkpointpicker類可以用于點坐標的拾取，它從視點位置發(fā)射一束光線，將鼠標當前的位置投影到actor上，則投影得到的點就是拾取對象。getpickposition()函數可以輸出鼠標當前單擊位置的世界坐標系下的坐標值。

圖3是將圖2中拾取的坐標點首尾相連形成的中心路徑。拾取所有泌尿系統(tǒng)三維模型感興趣點的坐標之后，使用vtklinesource函數中的setpoint1和setpoint2來連接相鄰的兩點，根據點的插入順序來連接成線段，最終形成一條完整的路徑。

圖4是中心路徑通過泌尿系統(tǒng)內部膀胱、輸尿管以及腎盂腎盞示意圖。為了模擬泌尿系統(tǒng)內窺鏡手術的入路過程，路徑從膀胱開始經過輸尿管最終到達腎盂和每一個腎盞。

技術特征：

技術總結
一種適用于復雜腔體的虛擬內窺鏡自動和交互式路徑規(guī)劃與導航方法。屬于醫(yī)學圖像處理與科學計算可視化相結合的技術領域。該方法包括：(1)通過成像設備獲得一組連續(xù)的人體二維切片；(2)通過圖像分割方法提取出目標區(qū)域；(3)利用分割出的圖像建立目標區(qū)域三維模型；(4)通過拾取坐標點在模型內部規(guī)劃指導漫游的中心路徑；(5)控制虛擬相機沿規(guī)劃好的中心路徑進行自動導航和交互式導航虛擬內窺。本發(fā)明通過拾取坐標點規(guī)劃路徑的方法效率較高，得到的路徑足夠光滑，并且在交互導航的過程中可以很好的解決“破壁而出”的問題，不需要復雜的碰撞檢測操作。具有：無創(chuàng)、安全、操作簡單、病灶信息豐富等優(yōu)點。

技術研發(fā)人員：代煜;李泓良;張建勛
受保護的技術使用者：南開大學
技術研發(fā)日：2017.07.06
技術公布日：2017.10.13