第七章 虛擬內(nèi)窺鏡

第七章虛擬內(nèi)窺鏡虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)（VirtualEndoscopy）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。它利用醫(yī)學(xué)影像作為原始數(shù)據(jù)，融合圖像處理、計算機圖形學(xué)、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，模擬傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡的一種技術(shù)。它克服了傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡需把內(nèi)窺鏡插入人體內(nèi)的缺點，是一種完全無接觸式的檢查方法。虛擬內(nèi)窺鏡的研究旨在為醫(yī)生提供診斷依據(jù)，還可應(yīng)用于輔助診斷、手術(shù)規(guī)劃、實現(xiàn)手術(shù)的精確定位和醫(yī)務(wù)人員的培訓(xùn)等。7.1醫(yī)用內(nèi)窺鏡技術(shù)和虛擬內(nèi)窺鏡的引入醫(yī)用內(nèi)窺鏡技術(shù)1、用來直接觀察人體器官內(nèi)部腔體的裝置稱為內(nèi)窺鏡，簡稱內(nèi)鏡2、內(nèi)窺鏡可分為硬管式和軟管式兩種，又稱硬性內(nèi)窺鏡和軟性內(nèi)窺鏡。3、硬性內(nèi)窺鏡包括傳像、照明、氣孔三大部分。傳像部分分為物鏡、中繼系統(tǒng)、目鏡組成傳導(dǎo)圖像。照明部分采用冷光源用光導(dǎo)纖維穿入境內(nèi)的方法。氣孔部分作用為送氣、送水、通活檢鉗。4、用纖維光束傳像和導(dǎo)光或用CCD傳導(dǎo)圖像的內(nèi)窺鏡成為軟性內(nèi)窺鏡。軟性內(nèi)窺鏡又可分為纖維內(nèi)鏡和電子內(nèi)鏡纖維內(nèi)鏡構(gòu)造：先端部、彎曲部、插入部、操作部、導(dǎo)光軟管、導(dǎo)光連接部、目鏡。整套纖維鏡包括：冷光源、纖維鏡、電視系統(tǒng)監(jiān)視器（另配）。電子內(nèi)窺鏡是以CCD代替導(dǎo)像束傳導(dǎo)圖像信號，再經(jīng)圖像處理中心處理轉(zhuǎn)換成視頻信號。CCD固體攝像器件叫CCD圖像傳感器，其構(gòu)造是在硅襯底上排列著許多光敏二極管（像素），將其上的成像光變成電信號，然后依樣傳送出去得到圖像信號。電子內(nèi)窺鏡構(gòu)造與纖維內(nèi)鏡構(gòu)造基本相同，簡單可理解為用CCD代替了導(dǎo)像束，很多功能是纖維內(nèi)鏡不能企及的。整套電子內(nèi)鏡包括：冷光源、圖像處理中心、監(jiān)視器、電子胃腸鏡、推車組成。內(nèi)窺鏡及虛擬內(nèi)窺鏡的發(fā)展硬式內(nèi)鏡階段（1806～1932）：硬式內(nèi)鏡由德國人PhilippBozzini首創(chuàng)，由一花瓶狀光源、蠟燭和一系列鏡片組成，主要用于膀胱和尿道檢查。1895年Rosenhein研制的硬式內(nèi)鏡由3根管子呈同心圓狀設(shè)置，中心管為光學(xué)結(jié)構(gòu)，第二層管腔內(nèi)裝上鉑絲圈制的燈泡和水冷結(jié)構(gòu)，外層壁上刻有刻度反應(yīng)進鏡深度。1911年Elsner對senhein式胃窺鏡作了改進，在前端加上橡皮頭做引導(dǎo)之用，但透鏡臟污后便無法觀察成為主要缺陷，盡管如此，Elsner式胃鏡1932年以前仍處于統(tǒng)帥地位。半屈式內(nèi)鏡階段（1932～1957）：Schindler從1928年與優(yōu)秀的器械制作師GeorgWolf合作研制胃鏡，最終在1932年獲得成功，定名為Wolf-Schinder式胃鏡。之后，許多人對其進行了改造，使之功能更為齊全，更為實用。光導(dǎo)纖維內(nèi)鏡階段（1957年至今）：1954年，英國的Hopkins和Kapany發(fā)明了光導(dǎo)纖維技術(shù)。1957年，Hirschowitz及助手在美國胃鏡學(xué)會上展示了自行研制的光導(dǎo)纖維內(nèi)鏡。60年代初，日本Olympas廠在光導(dǎo)纖維胃鏡基礎(chǔ)上，加裝了活檢裝置及照相機，有效地顯示了胃照相術(shù)。1966年Olympas廠首創(chuàng)前端彎角機構(gòu)，1967年Machida廠采用外部冷光源，使光量度大增，可發(fā)現(xiàn)小病灶，視野進一步擴大，可以觀察到十二指腸。近10年隨著附屬裝置的不斷改進，如手術(shù)器械、攝影系統(tǒng)的發(fā)展，使纖維內(nèi)鏡不但可用于診斷，且可用于手術(shù)治療。視頻內(nèi)鏡時代（1983年以后）：1983年WelchAllyn公司研制成功了電子攝像式內(nèi)鏡。該鏡前端裝有高敏感度微型攝像機，將所記錄下的圖像以電訊號方式傳至電視信息處理系統(tǒng)，然后把信號轉(zhuǎn)變成為電視顯像機上可看到的圖像。意大利科學(xué)家近日研制出一種機器人內(nèi)窺鏡，能夠像絳蟲一樣蠕動，用來進行結(jié)腸內(nèi)部檢查。新發(fā)明的這個機器人叫“埃米爾”，可以像尺蠖一樣縮短和伸展地移動?！鞍Ｃ谞枴鄙砩涎b有一個微型攝像機和小發(fā)光二極管，用來尋找是否有癌細胞。它由計算機控制，身上有導(dǎo)線與微機相連。目前內(nèi)窺鏡技術(shù)不僅可以用于診斷還可用于手術(shù)，避免了病人手術(shù)時許多不必要的痛苦，內(nèi)窺鏡技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中占有重要地位。盡管如此，內(nèi)窺鏡技術(shù)在實施時無一例外地要往病人體內(nèi)插入內(nèi)窺鏡體，這無疑會給病人帶來許多痛苦和不適，并且可能會帶來較多不良后果，如出血、穿孔、感染等等，個別敏感體質(zhì)的人甚至因身體的不適而無法進行檢查。

虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)（VirtualEndoscopy-VE）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。它利用醫(yī)學(xué)影像作為原始數(shù)據(jù)，融合圖像處理、計算機圖形學(xué)、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，模擬傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡的一種技術(shù)。VE克服了傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡需把內(nèi)窺鏡體插入人體內(nèi)的缺點，是一種完全無接觸式的檢查方法，還可應(yīng)用于輔助診斷、手術(shù)規(guī)劃、實現(xiàn)手術(shù)的精確定位和醫(yī)務(wù)人員的培訓(xùn)等。從它出現(xiàn)到現(xiàn)在，該研究領(lǐng)域越來越受到研究人員的關(guān)注。VE的研究是近十年的事情，在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域它是一種新興的技術(shù)，主要起源于數(shù)字醫(yī)學(xué)成像如3DCT和3DMRI圖像的可視化，特別是由于1994年VisibleHuman數(shù)據(jù)集的出現(xiàn)，使研究取得了較大的發(fā)展。

VE的發(fā)展大體可分為三代。第一代VE運用幾何模型，生成解剖結(jié)構(gòu)的3D幾何形狀，附加一些簡單的交互操作，生成簡單的飛行效果，產(chǎn)生較為粗糙的動畫效應(yīng)，在醫(yī)護人員的教育和培訓(xùn)中得到應(yīng)用。隨著計算機性能的提高，VE發(fā)展到第二代，使用高分辨率的可視化人體數(shù)據(jù)如CT、MRI或其它圖像數(shù)據(jù)，能夠產(chǎn)生更逼真的圖像，大大增加了VE的真實性、視覺逼真性和臨床實用性，當(dāng)前正處于第二代研究階段。未來第三代VE在考慮人體器官組織的集合形狀的同時，將加入不同解剖組織的物理特性和生物特性，將生成一個在物理上、生理上和系統(tǒng)上都完全逼真的VE系統(tǒng)。A虛擬結(jié)腸內(nèi)窺鏡圖像B光學(xué)結(jié)腸內(nèi)窺鏡圖像結(jié)腸對應(yīng)的CT圖像虛擬內(nèi)窺鏡的應(yīng)用目前，VE的應(yīng)用主要集中在那些具有空腔結(jié)構(gòu)的器官上如氣管、支氣管、食管、胃、結(jié)腸、血管、內(nèi)耳、心臟等等。至今，VE仍處于初期臨床試驗階段。虛擬內(nèi)窺鏡作為一種全新的醫(yī)學(xué)檢查、診斷方法，節(jié)省了使用鎮(zhèn)靜劑、插入探測器、住院治療和術(shù)后觀察等措施，降低了檢查的復(fù)雜性、危險性和成本。從理論上講，種人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)都可以使用這種技術(shù)來進行模擬檢查。雖然目前的應(yīng)用僅局限于教學(xué)、培訓(xùn)和設(shè)計治療方案等少數(shù)領(lǐng)域且處于初級研究階段，但隨著計算機和醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬內(nèi)窺鏡研究不僅有重要的理論意義，而且有著廣闊的應(yīng)用前景。7.2虛擬內(nèi)窺鏡中體數(shù)據(jù)的可視化虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的主要技術(shù)組成——處理過程虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的處理過程 數(shù)據(jù)采集、圖像的組織分割、三維重建、路徑規(guī)劃、實時繪制

數(shù)據(jù)采集由CT或MRI等設(shè)備采集2D的醫(yī)學(xué)切片圖像，經(jīng)3D重建后的圖像質(zhì)量主要取決于數(shù)據(jù)采集的方式和分辨率，分辨率又由切層厚度和矩陣大小決定。氣管、支氣管、胃、腸系統(tǒng)的檢查首選螺旋CT，可以縮短采集時間，從而減少由于病人呼吸和移動造成的偽影，還可以在不增加曝光時間的情況下提供重疊的圖像資料。3D重建要求層間的數(shù)據(jù)集具有連貫性，操作者可以改變圖像重疊的程度，以獲得較好的3D圖像效果。原始的圖像分辨率越高，重建的3D圖像效果越好。螺旋CT虛擬內(nèi)窺鏡的最佳掃描參數(shù)目前還無定論，但最小的電子束流準(zhǔn)直可獲得最大的X線分辨率，最慢的檢查床推進速度和重建片層最大程度的重疊可進一步提高圖像的清晰度。另外，增加千伏電壓數(shù)和毫安數(shù)可以增加信噪比，但同時也會增加患者的輻射劑量，因此需要綜合外科手術(shù)對清晰度的要求，選擇最合適的掃描參數(shù)。在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)窺鏡研究中一般選擇MRI。因為頭部較固定，可以較長時間的采集數(shù)據(jù)，得到高分辨率的圖像。在過去的十幾年中MR技術(shù)有了很大發(fā)展，成像序列方法、磁場強度和梯度線圈工藝得到了改進，使得MRI可以在短時間內(nèi)采集到高清晰度的圖像。目前還處于實驗階段的高磁場MRI所產(chǎn)生的圖像具有驚人的高清晰度，為虛擬內(nèi)窺鏡的發(fā)展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。圖像的組織分割由于實際的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)集CT、MRI等提供的斷層切片圖像除了包含特定組織外，還包含了其它的信息，必須將特定的組織、器官分割出來才能實現(xiàn)3D重建。分割是指區(qū)分相鄰組織結(jié)構(gòu)特征的過程。目前主要使用手工、半自動、自動分割三種方法。由于醫(yī)學(xué)圖像的復(fù)雜性，完全自動并精確地實現(xiàn)組織的分割是非常困難的，而手工分割的工作量太大，因此使用醫(yī)學(xué)知識并結(jié)合快速精確的技術(shù)半自動地實現(xiàn)組織分割是比較現(xiàn)實的，也是目前常用的方法。發(fā)展自動分割技術(shù)是發(fā)展虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)的關(guān)鍵。組織分割前圖像組織分割后的圖像三維重建三維重建是將2D的切片數(shù)據(jù)集重新構(gòu)造成3D實體的過程。虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的3D重建有表面重建和體重建兩種方法.表面重建是由切片數(shù)據(jù)集提供的數(shù)據(jù)中抽取出等值面，由點、線、構(gòu)造出對象的幾何表面，然后再由傳統(tǒng)的圖形學(xué)技術(shù)實現(xiàn)表面繪制。通過抽取等值面構(gòu)造的表面模型，會丟失三維數(shù)據(jù)場中的細節(jié)信息，有些分界面也有可能被擴大，也就是說保真性較差。因此，雖然通過表面模型可以有效的繪制三維體的表面，但缺乏內(nèi)部信息的表達。

體積重建實際上不通過構(gòu)造中間對象，直接由3D數(shù)據(jù)本身重現(xiàn)實體。3D數(shù)據(jù)中的一個數(shù)據(jù)作為一個表示實體的基本單元－體素，每一個體素都有顏色、不透明度、梯度等相應(yīng)的屬性。首先根據(jù)數(shù)據(jù)點值對每一體素賦以不透明度（α）和顏色值（R、G、B）；再根據(jù)各體素點所在點的梯度以及光照模型計算出各數(shù)據(jù)點的光照強度；然后根據(jù)體光照模型，將投射到圖像平面中同一個象素點的各體素的半透明度和顏色值從前向后或者從后向前組合在一起，形成最終的結(jié)果圖像。根據(jù)不同的繪制次序，體繪制方法目前主要分為兩類：以圖像空間為序的體繪制算法（光線投射法）以對象空間為序的體繪制算法（單元投影法）。路徑規(guī)劃在采用體重建繪制結(jié)果圖像過程中涉及巨大的數(shù)據(jù)量，考慮到實時性要求，一般是首先進行路徑規(guī)劃，抽取出對應(yīng)空腔結(jié)構(gòu)組織器官的中心路徑，然后按照這條關(guān)鍵路徑進行漫游。結(jié)腸對應(yīng)的中心路徑圖支氣管對應(yīng)的中心路徑實時繪制按照3D重建的結(jié)果，模擬虛擬攝像機在人體組織器官內(nèi)部移動產(chǎn)生的效果，根據(jù)相應(yīng)的視點位置、視線方向?qū)崟r顯示出對應(yīng)的景象，這是實時繪制的主要任務(wù)。虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的硬件組成總體上說，虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的硬件組成主要有輸入設(shè)備、主計算機、顯示設(shè)備三部分組成。1.掃描設(shè)備掃描設(shè)備為主計算機提供高分辨率的醫(yī)學(xué)圖像原始數(shù)據(jù)，通常為計算斷層造影(CT)、磁共振成像(MRI)、磁共振血管造影(MRA)、超聲波成像(US)、正電子發(fā)射計算斷層造影(PET)、單光子發(fā)射計算斷層造影(SPECT)等設(shè)備。2.輸入設(shè)備輸入設(shè)備為操作者提供與虛擬系統(tǒng)交互的工具，來模擬光學(xué)內(nèi)窺鏡在人體組織內(nèi)部的移動，是虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的入口。輸入設(shè)備需要實時獲得操作者的動作，向系統(tǒng)報告。在虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，輸入設(shè)備無論是在使用自由度和空間活動范圍上都應(yīng)該模擬光學(xué)內(nèi)窺鏡前端攝像機的動作。3.主計算機主要是提供圖像預(yù)處理、構(gòu)造模型、計算漫游路徑三部分功能。（1）圖像預(yù)處理：主要是從采樣設(shè)備獲取的原始圖像數(shù)據(jù)提取出特定的組織，如食管、氣管、支氣管、胃、結(jié)腸、血管等，還包括對原始圖像的濾波等操作。（2）構(gòu)造模型：建立真實感繪制所需要的模型。如果采用面繪制方法，就需要抽取特定組織的表面，建立相應(yīng)的表面模型；如采用直接體繪制方法，則需對特定組織的體素賦以顏色、不透明度等信息，進行直接體繪制。（3）計算漫游路徑：操作人員可以選取漫游方式：自由漫游或按規(guī)定路徑漫游。自由漫游需要在漫游過程中進行實時地碰撞檢測；按規(guī)定路徑漫游需要事先規(guī)劃漫游路徑。虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的軟件組成虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)是通過CT、MRI等設(shè)備獲取人體的2D切片數(shù)據(jù)，應(yīng)用體數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，生成器官的3D模型，模擬醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡，在數(shù)字化的器官內(nèi)部漫游，以觀察器官內(nèi)部狀況。由于在體繪制技術(shù)上的不同方法：面繪制和直接體繪制技術(shù),虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)在實現(xiàn)上也有區(qū)別：基于面繪制的和基于直接體繪制的虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)。

面繪制也稱為表面繪制是最早應(yīng)用醫(yī)學(xué)圖像三維顯示技術(shù)，它通過平面元來近似和逼近顯示物體表面，因而稱為表面繪制。具體做法是：在數(shù)據(jù)集中跟蹤和提取等值面，然后將等值面分解為足夠小的面片，以保證表面有足夠的光滑，最后采用計算機的圖形學(xué)技術(shù)和方法加以顯示。體繪制是一類不需要構(gòu)造中間幾何圖元的直接使用三維空間的標(biāo)量場或矢量場采樣的可視化方法?；诿胬L制的虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)一般基于面繪制的虛擬內(nèi)窺鏡的過程如圖1－10所示。首先從CT、MRI等設(shè)備獲取2D切片數(shù)據(jù)。在建立幾何模型之前，要進行一系列的圖像預(yù)處理。預(yù)處理過程包括濾波、插值、分割等。濾波用于平滑或增強圖像的信息內(nèi)容；插值是由于CT或MRI等設(shè)備提供的都是斷層數(shù)據(jù)，而體繪制需要在三個方向上密度相同的均勻體數(shù)據(jù)；分割是在圖像數(shù)據(jù)中抽取特定的組織，切除不感興趣的數(shù)據(jù)。抽取出相