一種引導式虛擬內窺鏡導航方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于圖像處理與應用領域，涉及一種引導式自動虛擬內窺鏡導航方法，確 保成像視點逼近中心線，使得觀察視野盡量開闊，且實現快速自動導航，并獲得平滑的導航 軌跡。
【背景技術】
[0002] 傳統內窺鏡技術通常借助于光學、視頻等技術觀察被測腔體內表面。虛擬內窺鏡 從由一系列斷層圖像組成的體數據場中，重建出類似于傳統光學內窺鏡所觀察到的被測腔 體內窺透視視圖。優點是：（1)非侵入；（2)可實現任意角度、位置的觀察，不存在視覺"死 區"；（3)通過使用半透明體繪制技術，還可觀察被測腔體內壁的組織；（4)數據能重用，可 長期保存。
[0003] 為了有效觀察被測腔體內部，避免景深變化帶來的透視變形或視覺死區的存在， 需要令觀察點盡量貼近被測腔體的中心位置。目前的做法是預先提取導航路徑，即被測腔 體的中心線。主要的中心線提取方法有拓撲細化、最短路徑法、距離編碼法等。但是，目前的 中心線提取方法存在不少問題。例如，拓撲細化法，采用迭代計算，計算量非常較大，造成算 法非常耗時；最短路徑法、距離編碼法，容易造成提取的中心線容易貼近腔壁，影響觀察視 野；基于距離場的邊界距離算法，時間效率也不夠高。以上方法都利用了中心線的中心性、 連通性、單一性、魯棒性等特性。
[0004] 上海交通大學改進了當前距離映射提取中心線的方法（Wavelet Active Media Technology and Information Processing (ICCWAMTIP), 19-21 Dec, 2014, Chengdu, China)，使用邊界距離場的平方代表體素的相對位置，以便于后續的開平方計算。經過手工 標記、拓撲細化、距離映射和水平集匹配獲得中心線。此方法保持了連通性，但是對于表面 的形狀變化很敏感。
[0005] 華南理工大學提出基于圖像分割的路徑規劃法（Control Conference, July 26 2007-June 31，2007，Hunan，China，先利用閾值分割算法和邊緣檢測方法獲得一張切片 圖像中主體的一部分，隨后自適應地選擇該區域的種子和增長區域的閾值，所有種子都被 分別限定在一個四邊形中存入一系列堆棧；這些種子作為導航的關鍵點，經過分割后便得 到能夠組成路徑的所有關鍵點，經過平滑后則獲得最終規劃路徑。
[0006] 中國科學院提出包含距離的中心線算法（IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: Nano to Macro, 2004,261 - 264 Vol. 1)，并且利用像素編碼自適 應地去除偽分支。此方法能夠保持拓撲結構，保留內部點和邊界間的距離信息，但計算代價 較大。
[0007] Bruno M.等人（IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: Nano to Macro，2004,1541-1544 Vol. 2)認為圖片中的每一個物體都有獨自的連接性強度定 義，也有專屬的種子體素集；每一個物體都可以當做是一個體素集合，此集合中的體素都是 真包含于物體的，并且體素與此物體中某個種子點間的連接性高于體素與種子點集中其他 種子的連接性；以此理念提出Μ模糊分割的方法。用面心立方晶格表達三維CT圖；利用距 離圖找到最優體素用B樣條曲線表達路徑。此方法生成連通圖，降低了導航的時間消耗，但 復雜度較高并且需要二次分割。

【發明內容】

[0008] 為解決現有方法的不足，本發明提供一種引導式虛擬內窺鏡導航方法，避開中心 線提取過程，從而避開了中心線不穩定、存在毛刺、拓撲復雜等缺點，而是把距離梯度作為 虛擬內在拉力，迫使虛擬攝像機自動貼近中心線向內探索，提高虛擬內窺鏡系統的成像效 率，能簡化操作、節省檢查時間，幫助實現無遺漏全面檢查。
[0009] 為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種引導式虛擬內窺鏡導航方法，其 特征在于：將斷層圖像分割成被測腔體體素和背景體素，用快速3D距離變換計算每個被測 腔體體素到最近背景體素的距離；隨后利用距離梯度方向和距離值引入虛擬拉力，進行導 航方向的校正，修正虛擬攝像機當前的運動方向，使得攝像機盡量遠離被測腔體內壁，從而 使攝像機接近中心線。
[0010] 進一步，在校正導航方向的過程中，為實現自動導航和獲得光滑的導航路徑，需要 預先計算導航軌跡控制點，可以邊計算邊前進；采用分段三次Bezier曲線拼接方式，生成 具有至少C1連續的光滑導航軌跡，從而防止攝像機產生劇烈"抖動"。
[0011] 更具體地，預先計算后2個單位時刻的2點坐標，將坐標集合分組構成一段光滑 Bezier曲線段，在實現一小段組內平滑后，實時更新分組進行組間平滑，最后插值補點令路 徑具有至少C1連續，以便于攝像機沿平滑中心路徑順利前進展示被測腔體的內部結構。
[0012] 本發明首先將斷層圖像分割成待檢查被測腔體體素和背景體素，然后采用快速3D距 離變換計算每個被測腔體體素到最近背景體素的距離，計算距離梯度作為內在拉力，最后 將虛擬攝像機拖拽至接近被測腔體的中心位置。在內在拉力作用下，引導攝像機既能沿著 接近指定方向前進，又可以盡可能遠離被測腔體內壁，從而達到快速、自動瀏覽待檢查被測 腔體，同時盡可能觀察到被測腔體所有內壁，視野清晰、開闊。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、噪聲干擾等難題。
【附圖說明】
[0013] 圖1是內窺鏡導航系統方法流程圖 圖2本發明方向校正示意圖 圖3本發明三次Bezier平滑與插值示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 以下結合附圖對本發明的實施例作進一步的詳細說明。
[0015] 圖1給出內窺鏡導航系統方法流程圖。從圖1可以看出，工作站將醫學圖像通過 裝載模塊加載入混合場景管理模塊，混合場景管理模塊將待調整的信息發送給二維處理模 塊，信息經過常規處理后反饋回混合場景管理模塊顯示。同樣，混合場景管理模塊將數據發 送給三維處理模塊，數據經過處理返回混合場景管理模塊顯示。系統導航模塊與自三維成 像模塊通信，使虛擬攝影機實時獲得當前圖像，送入混合場景管理模塊顯示。圖像保存模塊 接受來自二維處理模塊、三維成像模塊和系統導航模塊的數據存儲，實現這些數據的存盤 處理。
[0016] -種引導式虛擬內窺鏡導航方法包括步驟如下： 1.速度方向校正 設被測腔體體素集合為F (Foreground)，背景集合為B (background)，采用快速3D距離 變換，計算每個體素到背景體素 B的最近距離：
[0017] 然后，計算每個體素的3D距離梯度：
根據距離值0及距離梯度方向G，修正虛擬攝像機當前的運動方向V，使得虛擬攝像機 朝著距離最大方向運動。如圖2所示，我們首先計算當前位置Ρ。處的