仿真内窥镜系统原理与功能

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仿真内窥镜系统的原理与功能

张晓鹏,田　捷,韩博闻

(中国科学院自动化研究所人工智能实验室,北京100080)

摘　要:介绍了一个典型的仿真内窥镜系统的原理、功能与应用。该系统的特点是:(1)依靠自己的研究与技术积累,自行研究,自主开发;(2)基于造价低廉、普及面很宽的微机环境和微软,容易推广;(3)基于通用图形平台OpenGL,可以利用大量的图形加速卡来提高系统效率;(4)应用面宽:本技术可用于人体各种空腔器官的内窥,可用于疾病诊断、手术指导、辅助教学等。关键词:医学图像;虚拟现实;内窥镜

中图分类号:TN911.73(TH785+.5)　　　　　文献标识码:A

PRINCIPLEANDFUNCTIONSOFVIRTUALENDOSCOPY

ZHANGXiao-Peng,TIANJie,HANBo-Wen

(Lab.ArtificialIntelligence,InstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China)

Abstract:Theprinciple,functionandapplicationofatypicalvirtualendoscopysystemareintroducedinthispaper.Theadvantageis:(1)developingdependingonourselves’researchandtechnicalaccu2mulation,(2)basedoncheapandpopularPCandMiscrosoftWindowsandeasytoextend,(3)basedonthegenerallyusedOpenGLgraphicplatformandcapableofusinggraphiccardtoacceleraterender2ing,(4)wideapplication:capableofbeingusedforendoscopyinvariouscavum,diseasediagnosesandcomputeraidedteaching.

Keywords:medicalimaging,virtualreality,endoscopy

1　背景

仿真内窥镜技术是在计算机硬件技术、计算机图形学、计算机图像处理和虚拟现实技术等发展的基础上逐步形成的一种独特的技术。内窥镜技术在医学领域已经有了几十年的应用历史,在疾病的诊断中发挥着巨大的作用,仿真内窥镜技术是内窥镜技术的一种延伸。目前内窥镜技术不仅可用于诊断,还可用于手术,避免了病人手术时的许多不必要的痛苦。内窥镜技术在现代医学中占有相当重要的地位。尽管如此,内窥镜技术在实施时,仍要往病人

收稿日期:2000-09-18

基金项目:国家自然科学基金(69843001)和中国博士后基金(中博基199917)

作者简介:张晓鹏(1963-),男,汉族,陕西蓝田县人,副研究员,博士后,研究方向:医学图像技术与虚拟现实

体内插入内窥镜体,这会给病人带来许多痛苦,个别敏感体质的人甚至因身体的不适反应而无法进行检查。仿真内窥镜技术的出现为克服这一问题带来了曙光,因为仿真内窥镜技术彻底避免了内窥镜体的插入,是一种完全的无接触式检查手段。

按照仿真内窥镜的工作原理1～6,病人在检查时首先作CT、MRI或超声等扫描,所得数据传入计算机后进行处理,生成便于计算机显示的数据,然后利用类似虚拟现实的手段对所要检查的区域进行显示,在计算机屏幕上观察是否有病变。显然,整个检查过程没有与病人身体有任何接触,避免了不必要的痛苦。另外,仿真内窥镜可以对常规内窥镜无法到达的区域,如椎管、膝盖等进行检查,还可以越过肿瘤肿块的阻碍,这是常规内窥镜技术无法做到的。从技术角度来讲,只要获得了足够的信息,我们可以对人体内任何空腔区域进行仿真观察。

　　　　　　　　　　　　　　　　　中国体视学与图像分析　　　　　　　　　　　　　　　　2001年第6卷第1期・34・

与物理内窥镜相比,仿真内窥镜有如下优点:

(1)不适反应程度最低;(2)同一套数据可以按照不同计划重复使用任意多次;(3)可用于指导病人了解身体状况;(4)漫游过程可以在管状腔体(如结肠)内部进行,也可以在非管状腔体(如鼻咽腔)内进行;(5)仿真内窥镜检查可以将信息传向远程;(6)仿真内窥镜更适合于不适应常规内窥镜检查的人;(7)仿真内窥镜可以定位为全方位内窥镜系统,也可以只定位为一个观测系统;(8)仿真内窥镜更适合于不适应常规内窥镜检查的部位,如血管、脊髓腔。

我们知道,CT、MRI等对人体的扫描是一种所谓的断层扫描,扫描得到的数据是空间中某一断层平面的信息。这样,如果沿与该断层平面垂直的方向连续做一系列扫描,我们就可得到某一空间具有一定间隔的信息。如果扫描的空间间隔小于所要观察的对象的空间尺度,或者至少和其相当的话,那么从理论上我们即可恢复出该扫描空间,把该空间按一定的顺序依次显示在计算机屏幕上,这就是仿真内窥镜。实际上,仿真内窥镜已经超越了传统内窥镜的概念,因为观测是虚拟的和无接触式的,因此可以对人体进行全方位的检测,是一种新兴的医疗手段。

科学技术的最终目的是提高人们的生活水平。仿真内窥镜因其非接触性、可越过肿瘤障碍等特点,开创了医疗检验的新纪元,具有显著的社会效益和经济效益,目前在国外已有商品软件问世(如GE的AdvanceWindows2.0),国内已有多家医院购买了仿真内窥镜软件,并已开展了这方面的工作。《中国医学影像技术》1999年第8期7～10专门出了一期仿真内窥镜的专辑,共报道了261例病例,可见仿真内窥镜的市场已经形成。但是现有仿真内窥镜软件性能各异,功能简单,图形、图像重建时间太长,交互性较差,而且价格很贵(不少于10万美元)。因此,研究开发具有自主知识产权以及鲜明特点的仿真内窥镜软件是很有实际意义的。

2　系统概论

2.1　简述

仿真内窥镜系统以计算机断层影像数据为信息来源,以医学图像处理与分析技术为基础,以计算机图形学与虚拟现实技术为工具,以实现非侵入性地在人体内部漫游,完成对支气管、血管、结肠等的检查为目标,从而成为疾病诊断的一种新手段,也是手

术设计和手术施行的新辅助工具11～13。2.2　系统目标

本项目的研究目标在于根据仿真内窥镜研究的发展现状和需求,集成或改进现有理论与算法,提出并实现自己的算法,形成一个基于微机的交互式仿真内窥镜系统。2.3　技术分析

我们已经在医学影像处理与分析方面做了多年的研究与开发工作,积累了大量的经验,并且已经完成了三维医学图像处理与分析系统3DMED的设计,该系统提供了影像数据管理、不同数据格式的转换、二维处理、切片重切割、三维重建、三维显示等强大的功能。在此基础上,我们查阅了大量的有关仿真内窥镜的文献,考察了国外的研究现状,对仿真内窥镜软件系统的一些关键技术进行了研究与分析,如图像分割、等值面生成、冗余数据简化、虚拟现实、虚拟漫游路径生成、可见性预判断、三维图形显示等等。各相关技术在各自领域已经有多年的发展历史,分别取得了相当的进展。仿真内窥镜技术是上述关键技术在医学图像处理领域的集成与具体应用,以现今的理论、技术水平,研制开发仿真内窥镜软件是可行的。总的说来,仿真内窥镜包括如下主要内容:医疗切片图像数据获取、图像分割、三维重建、自动漫游路径生成、虚拟漫游。技术路线可以描述如下:当从CT等医疗扫描设备获取数据后,对所得图像进行分割,把所要观察的器官(组织)同背景分离出来。在此基础之上进行三维重建,得到器官(组织)的空间数据。分析该空间数据,找出可以行进的空间,即为漫游路径。在漫游路径的导引下(或由用户交互输入)即可进行虚拟漫游。这就是仿真内窥镜。

在上述仿真内窥镜的技术组成中,我们对切片数据获取以及图像分割进行了多年的研究,积累了大量经验,并已在我们开发的PACS和3Dmed中得到应用,所有这些都可以直接应用在仿真内窥镜系统中。　　仿真内窥镜因为要在人体内漫游,因此漫游的速度是衡量系统性能的重要指标。一般说来,若计算机每秒能显示15幅画面,人眼即不会感觉到抖动。但对仿真内窥镜而言,每秒5幅左右也是可以接受的,因为它是用于医疗检查,医生需要仔细观察,变化太快反而不利,但太慢了又会影响工作效率。例如市场上的商品仿真内窥镜软件(如GE的

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AdvancedWindows)一般都要两三秒才能显示一幅

画面,这就太慢了。事实上这也是仿真内窥镜软件发展的瓶颈所在,难点也在于此。

为了说明仿真内窥镜研究的计算机基础,在此可以和当前流行的计算机游戏作一个比较(计算机游戏最能反映计算机硬件水平及计算机图形学的最新进展)。在PentiumII400左右的硬件水平下,大多数游戏可以达到每秒十几幅甚至二十几幅的显示速度。但整个游戏场景的三角形数量一般在几千左右,而一个作了比较细致CT扫描的头部场景,三维重建后生成的三角形数量在百万数量级上,因此,如何有效地组织数据、简化数据、加速显示长期以来一直是计算机图形学尤其是虚拟现实领域研究的热点问题。所幸的是,经过多年的研究发展,在理论和实践上人们已经积累了大量经验,在此基础之上,开发仿真内窥镜软件系统是可行的。针对仿真内窥镜系统的特点,问题集中在三维重建、数据整理、数据简化、路径生成、可见性预判断以及显示加速上。这些问题在计算机图形学、虚拟现实等领域都有深入的研究,应当好好予以借鉴。但针对仿真内窥镜系统自身的特点,还是存在大量的问题需要深入研究。

3　技术原理

仿真内窥镜包含以下主要技术:(1)器官分割———获取器官体数据;(2)表面几何信息提取———获取器官表面数据;(3)自动路径生成———漫游控制;(4)层次细节模型———模型精简;(5)递进网格动态精简———漫游加速。3.1　器官分割

把从CT和MRI获得的三维切片数据进行必要的滤波(并对从多种数据源得到的各种信息进行配准),按照目标器官的属性(如灰度值、窗宽窗位值等信息)分割出器官信息14～16。3.2　表面几何信息提取

表面几何信息提取的目的在于把器官的体信息转化为器官结构化多边形表面信息,并且结构化处理表面数据17～19。

由于标准的移动立方体算法只是由简单的阈值分割来构造等值面片的,所以有一定的局限性。我们将3DMed的高级图像分割结果与移动立方体算法结合,在得到满意的分割结果后,再重构三维等值面片,这样可以得到更好的图像质量。3.3　自动路径生成

视点轨迹自动生成:我们采用拓扑细化方法来计算视点路径。拓扑细化方法是一个循环过程,每一步只删除具有特殊邻接性质的点,叫简单点或边界点,简单点的删除保持对象的Euler数不变,所以整体连接性得以保持。为了保持几何性质不变(如避免消除尾点),我们采取的方法是如果简单点不满足特殊的几何约束就不删除这个点;其次采用并行细化算法,在每一个循环之中删掉一批点,这使得该算法具有简单并行性和加速功能;第三,应用拓扑细化得到散乱的中心点的信息,按照这些点的相互位置关系,求得结构化的中心轨迹,然后将中心结构轨迹的信息予以简化,最后用曲线插值方法生成轨迹曲线,以满足各种精细级别漫游的要求20～22。3.4　层次细节模型

层次细节模型(LoD)是为提高绘制速度而提出来的,基本思想是根据场景对画面的贡献大小,以及人眼对画面的敏感程度决定绘制的精度。精度要求高的地方采用物体的精细描述进行绘制,而要求不高的地方则采用物体的粗略表示进行绘制,从而缩短绘制时间。采用面片精简技术,选取不同的精度阀值即可产生物体的不同细节层次表示。3.5　递进网格动态精简

器官大量的表面多边形信息阻碍着绘制速度,采用虚拟现实中的递进网格方法和可恢复的层次细节动态精简方法对器官几何信息进行与视点有关的实时动态精简。由于内窥漫游需要绘制的多边形信息的量在总量中所占的比例比较小,而视锥之外的信息勿须考虑,所以动态精简会明显提高绘制效率23～25。

我们采用一种合适的数据结构表示和存储三维网格模型,采用渐进网格算法进行边折叠和点分裂的部分能够对三维网格模型做任意程度的化简和恢复,化简的顺序和恢复的顺序无关。

在实现渐进网格化简和恢复的基本算法的基础上,实现三维网格模型的选择化简和恢复,根据几何元素(点、线、面)是否在可见视区之中,决定模型中的哪些边需要化简,哪些点需要分裂恢复。

在对三维网格模型进行选择化简和恢复时,一个非常重要的因素是模型中的几何元素到视点的距离,离视点越远的部分面片密度越小,但是计算欧氏空间距离的算法运算量较大,因此需要找到一种快速算法,能够比较准确的衡量模型几何元素到视点的距离。

　　　　　　　　　　　　　　　　　中国体视学与图像分析　　　　　　　　　　　　　　　　2001年第6卷第1期・36・

在对三维网格模型进行化简和恢复的过程中,都要产生新的点,删除一些原有的点。为了取得更好的视觉效果,需要有一种算法能够根据边折叠或点分裂执行之前的点位置,决定新产生的点的位置,使执行化简和恢复之后的模型与原有模型的视觉误差最小,根据对不同边折叠产生视觉误差的大小,决定当前应该选择哪一条边进行简化。

在计算生成点的位置和边折叠的代价的过程中,需要计算执行简化之后的模型与原模型的几何误差。现有的算法在计算复杂度和计算精确度之间的平衡度对于我们的系统不适用,因此需要研究一种适合仿真内窥镜使用的算法。

化简和恢复的准则———怎样综合以上算法的计算结果,选择边进行折叠,选择点进行分裂,在保持模型的数据量大小基本不变的前提下,取得最好的

视觉效果。

4　系统的功能

系统由以下8个功能模块组成:

4.1　医学图像数据获取与体数据预处理

(1)体数据获取:系统能够读取标准CT数据或MRI数据;

(2)滤波:系统可以实现多种图像滤波技术,以

消除图像中的噪声或者增强边缘等提高图像质量,有利于分割和提取三维面片数据。常用的图像滤波算法有SOBEL、高斯、梯度及去伪影算法等。

(3)切片分割:利用交互式切片分割工具可以将感兴趣的器官提取出来(图1)。采用的分割方式包括阈值分割、区域增长的分割等。

图1　器官分割

4.2　表面几何信息提取与面数据处理

(1)改进的移动立方体:移动立方体方法是从体

(2)面信息结构化:应用改进的移动立方体方法

数据中提取表面模型的精简方法,但它有许多缺陷(如二异性),我们将其改进;

所得到的表面模型不包含多边形的邻接信息,在此整理出邻接信息(图2)。

图2　表面几何信息提取

4.3　表面几何信息精简4.4　视点轨迹自动生成

(1)拓扑细化:将目标器官的内腔体数据分割出

面信息精简:表面几何信息提取与面数据处理

所获得的数据量太大,往往超过几十万个三角形,现有硬件难以实现实时显示的要求。在保持几何形状的前提下明显减少三角形的个数(图3)。

来,利用拓扑细化方法得到内腔中心体数据,并得到每个中心体数据第一次不被剥离的层的层号数,用于漫游控制;

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(2)轨迹结构生成:将离散的内腔中心数据按照(3)轨迹曲线生成:用局部保形插值方法得到轨

邻接关系组织出结构化轨迹数据;迹曲线,用于精细内窥漫游(图4)。

图3　表面几何信息精简

图4　视点轨迹自动生成

4.5　动态精简

器官大量的表面多边形信息阻碍着绘制速度,采用虚拟现实中的递进网格方法和可恢复的层次细节动态精简方法可对器官几何信息进行与视点有关的实时动态精简。由于内窥漫游需要绘制的多边形信息的量在总量中所占的比例比较小,而视锥之外的信息勿须考虑,所以动态精简会明显提高绘制效率(图5)。4.6　绘制

对于绘制问题,采用OpenGL图形平台实现多视点、多浏览状态的对照显示,利用OpenGL图形加速卡进行加速,从而实现交互内窥漫游。交互内窥漫游需要用户随时修改如下参数:视域变换、光照选

择、材质确定、透明效果26～28。

为了满足医生对照切片查看的习惯,器官三维模型内窥与对应处的切片对照显示,同时内窥与外视也可以同时显示(图6)。

图5　动态精简中的边折叠和点分裂

图6　加速绘制

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4.7　漫游

(1)自动漫游:在默认漫游综合环境中,使用器

官内腔中心信息,实现器官内腔的遍历漫游,视点的轨迹为器官内腔中心29,30(图7)。

(2)交互漫游:在器官内腔中心路径的指导下,在不穿越器官腔壁的约束下,医生根据需要在腔体

　　　图7　自动漫游　　　　图8　交互漫游

图9　系统结构　　　　　　　　　　　内自由漫游。系统提供交互漫游的接口,用户使用这些接口用鼠标或键盘输入漫游参数,从而实现交互的效果(图8)。4.8　信息记录

(1)二维画面:按照用户要求,系统可以将用户看到的和浏览的屏幕图像以文件的形式记录下来,以备查用和制作动画使用。

(2)动画:系统首先将用户看到的画面按照漫游顺序记录在特定的临时目录之下,然后调用动画制作软件将顺序图像文件制成动画。

5　系统结构与数据流程

5.1　系统结构

系统按照如下结构将各个功能模块组成一个整体,从数据获取到漫游,再到画面记录和动画生成。系统的整个结构见图9。

图10　数据流程

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5.2　数据流程

系统要处理8种(6种形式)数据:切片数据(im0)、边缘体素(bs0)、内腔体素(im0)、表面精细模型(obj)、表面简化模型(Obj)、视点轨迹模型(pth)、系列画面(bmp)、动画文件(avi),这些数据可以存放在存储设备并用操作系统管理,也可以存放在数据库。这些数据的处理流程见图10。

构,获得人体腔道内三维解剖图像。

目前仿真内窥镜技术已经广泛应用于人体各种具有腔室结构的部位,诸如食道、胃、结肠、鼻咽喉部、气管、支气管;采用MRI还可应用于椎管、血管、泌尿系、胆系、脑室。6.1　疾病诊断

6　系统的应用

本系统可以为医生诊断疾病提供形象的信息,

为制定手术方案提供指导,同时它也是人体生理教学的辅助教学工具31～35。

利用仿真内窥镜技术将MRI、CT图像数据进行图像后处理,三维重建出空腔脏器内表面,然后使用导航技术漫游空腔脏器的内腔,观察脏器内表面及通道的状态,如凸起性肿物或管道狭窄等,从而达到模拟光学纤维内窥镜的效果,清楚地显示腔内结

仿真内窥镜能很好地显示空腔脏器的空腔内表面正常解剖结构,并能显示异常的改变,如表面凸起物或管腔的狭窄。结合切片重组技术,可以获得轴位、矢状位、冠状位图像,对比管腔内外的图像,观察病变,如淋巴结肿大或肿块向腔外扩展等情况,对鉴别诊断有很大帮助。如图11～13所示为腹主动脉瘤图像,图11为三维重建的模型,可见在血管分叉下方膨大的动脉瘤;图12为仿真内窥镜见到的管壁内部结构,图13为利用切片重组技术,针对腹主动脉瘤的膨起部位生成的各个切面CT图像。

图11　三维重建的腹主动脉瘤图12　系统所见血管内部图13　腹主动脉瘤的不同断面CT

　　因为仿真内窥镜技术是一种非侵袭性、无痛苦和安全的影像诊断模式,所以尤其适用于不能承受纤维内窥镜检查的病人,或危重病人又需了解腔内外病变的进展情况时。仿真内窥镜还可以构造出通常纤维内窥镜无法达到的部位的三维图像如大血管、椎管、狭窄远端等。

仿真内窥镜可以无创性地清楚显示所检查器官的内壁,可以直观地显示正常和异常结构,所见与手术或内窥镜大致相似,可以比较准确地显示胃、结肠、气管、食道等器官的病变,如胃溃疡、胃息肉、结肠癌、肺癌等。可以选择不同的观察方向、不同的观察距离、不同的观察角度,实时航行观察。6.2　手术指导

应用前景,可以清楚地显示所检查器官的内壁的病

变情况,如胃、结肠、气管、食道等器官等的病变,对手术方案的制定有直接的指导意义。通过观察可以重建物体大小、形状、位置和与周围组织的关系,通过器官内部的漫游可以在术前对病变器官的形态功能有较好的认识,为术前选择手术的方式、范围、手术路径提供了依据,为介入治疗的定位和方案选择提供了依据。图14中,左图为仿真内窥镜观察到的血管内情况,右上图为该段血管的三维重建图,右下图为血管的原始图像,由此可以观察到血管的走行、管径的变化并可判断血管与周围组织的关系,从而在术前可以预见到术中的可能情况,制定可行有效的手术方案。6.3　辅助教学

仿真内窥镜在外科手术方面的发展具有广泛的

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医学影像技术的发展使人类更精确、更形象地了解自身的情况成为可能。在内窥镜出现以前,人们无法了解器官内腔的形状与变化。利用仿真内窥镜系统可以无创伤地、任意重复地观察了解人体器官内腔。在图15中清晰显示了气管隆突等生理解

剖特征,图16显示了主支气管向下进一步分支,从图中我们可以直观地认识到气管的走行、分支结构以及解剖结构,这是使医务人员直观形象地认识气管结构的最佳辅助教学手段。

　　图14　血管仿真内窥镜图像图15　气管隆突

12

图16　支气管分支

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然,这可能是影响p21WAF1调控功能的一个方面,其它因素如p21WAF1DNA结构的变异,乳腺癌细胞变成耐p21WAF1介导的细胞逃避了生长停滞也是值得考虑和研究的。

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