第七章 虚拟内窥镜

第七章 虚拟内窥镜
虚拟内窥镜技术（Virtual Endoscopy）是虚拟 现实技术在现代医学中的应用。它利用医学影像作 为原始数据，融合图像处理、计算机图形学、科学 计算可视化、虚拟现实技术，模拟传统光学内窥镜 的一种技术。它克服了传统光学内窥镜需把内窥镜 插入人体内的缺点，是一种完全无接触式的检查方 法。虚拟内窥镜的研究旨在为医生提供诊断依据， 还可应用于辅助诊断、手术规划、实现手术的精确 定位和医务人员的培训等。
内窥镜及虚拟内窥镜的发展
• 硬式内镜阶段（1806～1932）：硬式内镜由德国 人Philipp Bozzini 首创，由一花瓶状光源、蜡烛 和一系列镜片组成，主要用于膀胱和尿道检查。 1895 年Rosenhein 研制的硬式内镜由3 根管子呈 同心圆状设置，中心管为光学结构，第二层管腔 内装上铂丝圈制的灯泡和水冷结构，外层壁上刻 有刻度反应进镜深度。1911 年Elsner 对senhein 式胃窥镜作了改进，在前端加上橡皮头做引导之 用，但透镜脏污后便无法观察成为主要缺陷，尽 管如此，Elsner 式胃镜1932 年以前仍处于统帅地 位。
7——处理过程 虚拟内窥镜系统的处理过程 数据采集、图像的组织分割、三维重建、 路径规划、实时绘制
数据采集
• 由CT 或MRI 等设备采集2D 的医学切片图像，经3D 重建后的图 像质量主要取决于数据采集的方式和分辨率，分辨率又由切层厚 度和矩阵大小决定。气管、支气管、胃、肠系统的检查首选螺旋 CT，可以缩短采集时间，从而减少由于病人呼吸和移动造成的 伪影，还可以在不增加曝光时间的情况下提供重叠的图像资料。 3D 重建要求层间的数据集具有连贯性，操作者可以改变图像重 叠的程度，以获得较好的3D 图像效果。原始的图像分辨率越高， 重建的3D 图像效果越好。螺旋CT 虚拟内窥镜的最佳扫描参数目 前还无定论，但最小的电子束流准直可获得最大的X 线分辨率， 最慢的检查床推进速度和重建片层最大程度的重叠可进一步提高 图像的清晰度。另外，增加千伏电压数和毫安数可以增加信噪比， 但同时也会增加患者的辐射剂量，因此需要综合外科手术对清晰 度的要求，选择最合适的扫描参数。在神经系统内窥镜研究中一 般选择MRI。因为头部较固定，可以较长时间的采集数据，得到 高分辨率的图像。在过去的十几年中MR 技术有了很大发展，成 像序列方法、磁场强度和梯度线圈工艺得到了改进，使得MRI 可 以在短时间内采集到高清晰度的图像。目前还处于实验阶段的高 磁场MRI 所产生的图像具有惊人的高清晰度，为虚拟内窥镜的发 展和应用奠定了基础。
图像的组织分割
• 由于实际的医学图像数据集CT、MRI 等提供的断 层切片图像除了包含特定组织外，还包含了其它 的信息，必须将特定的组织、器官分割出来才能 实现3D 重建。分割是指区分相邻组织结构特征的 过程。目前主要使用手工、半自动、自动分割三 种方法。由于医学图像的复杂性，完全自动并精 确地实现组织的分割是非常困难的，而手工分割 的工作量太大，因此使用医学知识并结合快速精 确的技术半自动地实现组织分割是比较现实的， 也是目前常用的方法。发展自动分割技术是发展 虚拟内窥镜技术的关键。
组 织 分 割 前 图 像
组 织 分 割 后 的 图 像
三维重建
• 三维重建是将2D 的切片数据集重新构造成3D 实 体的过程。虚拟内窥镜系统的3D 重建有表面重建 和体重建两种方法.表面重建是由切片数据集提供 的数据中抽取出等值面，由点、线、构造出对象 的几何表面，然后再由传统的图形学技术实现表 面绘制。通过抽取等值面构造的表面模型，会丢 失三维数据场中的细节信息，有些分界面也有可 能被扩大，也就是说保真性较差。因此，虽然通 过表面模型可以有效的绘制三维体的表面，但缺 乏内部信息的表达。
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半屈式内镜阶段（1932～1957）：Schindler 从1928 年 与优秀的器械制作师Georg Wolf 合作研制胃镜， 最终在 1932 年获得成功， 定名为Wolf-Schinder 式胃镜。之后， 许多人对其进行了改造，使之功能更为齐全，更为实用。 光导纤维内镜阶段（1957 年至今）：1954 年，英国的 Hopkins 和Kapany发明了光导纤维技术。1957 年， Hirschowitz 及助手在美国胃镜学会上展示了自行研制的 光导纤维内镜。60 年代初，日本Olympas 厂在光导纤维 胃镜基础上，加装了活检装置及照相机，有效地显示了 胃照相术。1966 年Olympas厂首创前端弯角机构，1967 年Machida 厂采用外部冷光源，使光量度大增，可发现 小病灶，视野进一步扩大，可以观察到十二指肠。近10 年随着附属装置的不断改进，如手术器械、摄影系统的 发展，使纤维内镜不但可用于诊断，且可用于手术治疗。
体积重建实际上不通过构造中间对象，直接由 3D 数据本身重现实体。3D数据中的一个数据作为 一个表示实体的基本单元－体素，每一个体素都有 颜色、不透明度、梯度等相应的属性。首先根据数 据点值对每一体素赋以不透明度（α）和颜色值（R、 G、B）；再根据各体素点所在点的梯度以及光照 模型计算出各数据点的光照强度；然后根据体光照 模型，将投射到图像平面中同一个象素点的各体素 的半透明度和颜色值从前向后或者从后向前组合在 一起，形成最终的结果图像。根据不同的绘制次序， 体绘制方法目前主要分为两类：以图像空间为序的 体绘制算法（光线投射法）以对象空间为序的体绘 制算法（单元投影法）。
视频内镜时代（1983 年以后）：1983 年Welch Allyn 公 司研制成功了电子摄像式内镜。该镜前端装有高敏感度微 型摄像机，将所记录下的图像以电讯号方式传至电视信息 处理系统，然后把信号转变成为电视显像机上可看到的图 像。 意大利科学家近日研制出一种机器人内窥镜，能够像绦 虫一样蠕动，用来进行结肠内部检查。新发明的这个机器 人叫“埃米尔”，可以像尺蠖一样缩短和伸展地移动。 “埃米尔”身上装有一个微型摄像机和小发光二极管，用 来寻找是否有癌细胞。它由计算机控制，身上有导线与微 机相连。 目前内窥镜技术不仅可以用于诊断还可用于手术，避 免了病人手术时许多不必要的痛苦，内窥镜技术在现代医 学中占有重要地位。尽管如此，内窥镜技术在实施时无一 例外地要往病人体内插入内窥镜体，这无疑会给病人带来 许多痛苦和不适，并且可能会带来较多不良后果，如出血、 穿孔、感染等等，个别敏感体质的人甚至因身体的不适而 无法进行检查。
虚拟内窥镜系统的硬件组成
• • • • 总体上说，虚拟内窥镜系统的硬件组成主要有输入设备、主计算机、显示设备三部分 组成。1.扫描设备 扫描设备为主计算机提供高分辨率的医学图像原始数据，通常为计算断层造影(CT)、 磁共振成像(MRI)、磁共振血管造影(MRA)、超声波成像(US)、正电子发射计算断层造 影(PET)、单光子发射计算断层造影(SPECT)等设备。 2.输入设备 输入设备为操作者提供与虚拟系统交互的工具，来模拟光学内窥镜在人体组织内部的 移动，是虚拟内窥镜系统的入口。输入设备需要实时获得操作者的动作，向系统报告。 在虚拟内窥镜系统中，输入设备无论是在使用自由度和空间活动范围上都应该模拟光 学内窥镜前端摄像机的动作。 3.主计算机 主要是提供图像预处理、构造模型、计算漫游路径三部分功能。 （1） 图像预处理：主要是从采样设备获取的原始图像数据提取出特定的组织，如食管、 气管、支气管、胃、结肠、血管等，还包括对原始图像的滤波等操作。 （2） 构造模型：建立真实感绘制所需要的模型。如果采用面绘制方法，就需要抽取特 定组织的表面，建立相应的表面模型；如采用直接体绘制方法，则需对特定组织的体 素赋以颜色、不透明度等信息，进行直接体绘制。 （3） 计算漫游路径：操作人员可以选取漫游方式：自由漫游或按规定路径漫游。自由 漫游需要在漫游过程中进行实时地碰撞检测；按规定路径漫游需要事先规划漫游路径。
虚拟内窥镜技术（Virtual Endoscopy-VE）是虚拟 现实技术在现代医学中的应用。它利用医学影像作为 原始数据，融合图像处理、计算机图形学、科学计算 可视化、虚拟现实技术，模拟传统光学内窥镜的一种 技术。VE 克服了传统光学内窥镜需把内窥镜体插入人 体内的缺点，是一种完全无接触式的检查方法，还可 应用于辅助诊断、手术规划、实现手术的精确定位和 医务人员的培训等。从它出现到现在，该研究领域越 来越受到研究人员的关注。VE 的研究是近十年的事情， 在医学成像领域它是一种新兴的技术，主要起源于数 字医学成像如3D CT 和3D MRI 图像的可视化，特别 是由于1994年Visible Human 数据集的出现，使研究 取得了较大的发展。
A 虚拟结肠内窥镜图像
B 光学结肠内窥镜图像
结肠对应的CT图像
虚拟内窥镜的应用
• 目前，VE 的应用主要集中在那些具有空腔结构的器官 上 如气管、支气管、食管、胃、结肠、血管、内耳、心 脏等等。至今，VE 仍处于初期临床试验阶段。 • 虚拟内窥镜作为一种全新的医学检查、诊断方法，节 省了使用镇静剂、插入探测器、住院治疗和术后观察等措 施，降低了检查的复杂性、危险性和成本。从理论上讲， 种人体内部结构都可以使用这种技术来进行模拟检查。虽 然目前的应用仅局限于教学、培训和设计治疗方案等少数 领域且处于初级研究阶段，但随着计算机和医学成像技术 的飞速发展，虚拟内窥镜研究不仅有重要的理论意义，而 且有着广阔的应用前景。
VE 的发展大体可分为三代。第一代VE 运用几 何模型，生成解剖结构的3D 几何形状，附加一些 简单的交互操作，生成简单的飞行效果，产生较为 粗糙的动画效应，在医护人员的教育和培训中得到 应用。随着计算机性能的提高，VE 发展到第二代， 使用高分辨率的可视化人体数据如CT、MRI 或其它 图像数据，能够产生更逼真的图像，大大增加了VE 的真实性、视觉逼真性和临床实用性，当前正处于 第二代研究阶段。未来第三代VE 在考虑人体器官 组织的集合形状的同时，将加入不同解剖组织的物 理特性和生物特性，将生成一个在物理上、生理上 和系统上都完全逼真的VE 系统。
路径规划
• 在采用体重建绘制结果图像过程中涉及 巨大的数据量，考虑到实时性要求，一般 是首先进行路径规划，抽取出对应空腔结 构组织器官的中心路径，然后按照这条关 键路径进行漫游。