虚拟内窥镜检查的制作方法

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1、虚拟内窥镜检查的制作方法专利名称：虚拟内窥镜检查的制作方法虚拟内窥镜检查本申请为申请日为2005年6月2日、申请号为200580028669. 0、发明名称为“虚拟内窥镜检查，的在先发明申请的分案申请。本发明涉及医疗成像技术。本发明在利用通过计算机X射线层析摄影术、磁共振 成像等生成的结肠的立体图像的虚拟结肠镜检查中找到具体的应用，并且将具体参照它进 行描述。更一般地，本发明在诸如膀胱、血管、气管、肠或其它器官那样的基本上任何腔结构 的虚拟内窥镜检查中以及在器官和非器官的其它受限制空间的虚拟内窥镜检查中找到应 用，以及可以利用通过基本上任何适当的成像技术生成的感兴趣的器官或受限制空间的立 体图

2、像。虚拟内窥镜检查利用诸如计算机X射线层析摄影术扫描仪或磁共振扫描仪那样 的医疗成像系统来得到诸如结肠那样的感兴趣的腔限定的结构的三维图像。把虚拟图像分 段以识别腔限定的表面，并被处理以根据放置在空腔内的摄影机的优势来提供腔限定的表 面的透视图。因此，虚拟内窥镜检查可模拟由被插入到结肠内的空腔内的物理内窥镜摄影 机所提供的视图，这些视图对于习惯用物理内窥镜摄影机进行结肠镜检查的医学人员是熟 悉的。而且，虚拟内窥镜处理可以克服传统的内窥镜检查的某些缺点。一个优点是消除 物理的内窥镜摄影机，它插入到病人的体内空腔是很不舒服的。在虚拟内窥镜检查中，使用 计算机X射线层析摄影术的成像和磁共振成像等等来

3、代替内窥镜摄影机。因此，虚拟内窥 镜检查可以探测那些从结构外部不可进入所述空腔的空腔限定的结构。同样地，虚拟内窥 镜检查可以探测含有气体、液体或固体物质的空腔限定的结构，其中该物质在采集到的立 体图像中与周围的空腔限定的结构是可区分的(S卩，可以与其分段的)。由传统的内窥镜摄影机的透视图提供的有限的视区在某些虚拟内窥镜检查实施 方案中可通过提供结肠空腔的展开的视图(有时称为“切片”视图)而得到解决。在概念 上，展开的或切片的视图相应于沿纵向切开结肠的一侧，并在切割处展开或铺开结肠以形 成二维表面。然而，现有的展开视图把不想要的失真引入到结肠的呈现表面。这些失真也使得 展开的视图很不适合于仔细检

4、查可疑的息肉。现有的展开视图通常不能克服在传统的和虚 拟的内窥镜检查中存在的另一个问题，即空腔限定的表面的皱褶的或高起伏的表面形态遮 蔽了伤痕、息肉或感兴趣的其它特性。典型地，需要至少两遍，即一次向前观看和一次向后 观看，以便查看皱褶的两面。通常，通过结肠的运动在不同的位置处停止，观看点和角度要 加以改变以便巡视关心的区域。再者，现有的传统的和虚拟内窥镜检查技术通常不提供深 度信息而是只指示表面结构和取向。下面打算给出克服上述的限制和其它缺点的改进的设备和方法。按照一个方面，提供了用于在具有细长空腔的空腔限定结构的立体图像上执行虚 拟内窥镜检查的虚拟内窥镜检查方法。展开轴被确定为基本上在细长的

5、空腔内。摄影机位 置被选择在沿展开轴的位置上。展开轴被划分成轴分段。射线投射方向被选择为总体上从 展开轴的轴分段径向地延伸。至少一些射线投射方向根据相应的轴分段与摄影机位置之间的距离倾斜远离摄影机位置。射线的投射要沿倾斜的射线投射方向进行以定义像素值。像 素值被安排到展开的视图中。按照另一方面，提供了一种虚拟内窥镜检查方法，用于在空腔限定的结构的立体 图像上执行虚拟内窥镜检查。射线投射方向被选择为向空腔限定的结构的一个空腔限定的 表面延伸。体素(voxel)的统计特性在沿每个射线投射方向进入空腔限定的结构的预定的 距离(dintCTval)上进行计算。像素值至少根据计算出的统计特性对于每个射线

6、投射方向而 被确定。像素值被安排到空腔限定的结构的内窥镜检查的视图中。一个优点在于在展开的视图中减小的失真。另一个优点在于呈现的失真更直观，这样，它可得到有益的使用。另一个优点在于在虚拟内窥镜检查视图中提供深度信息。另一个优点在于用于检查可疑的伤痕、息肉、或其它感兴趣的特性的改进的用户 接口。再一个优点在于减小由于空腔限定的表面的皱褶的或其它高度起伏的表面形态 而遮蔽感兴趣的特性。在阅读以下的详细说明后，许多附加优点和好处对于本领域技术人员将是显而易 见的。本发明可以取在不同部件和部件安排以及不同处理操作和处理操作安排的形式。 附图仅仅用于说明优选实施例的目的，而不是限制本发明。图1示意地显示

7、虚拟内窥镜检查系统。图2示意地显示图1的虚拟内窥镜检查系统的虚拟内窥镜检查处理器。图3示意地显示用户可选择的虚拟内窥镜检查参数。图4A示意地显示一个包括由箭头表示的射线投射方向的展开的轴分段的端视 图。图4B示意地显示一个包括由箭头表示的射线投射方向的展开的轴分段的透视 图。图4C示意地显示一个包括由箭头表示的射线投射方向的展开轴的侧视图。图4D示意地显示在任选地大于360的角度范围 m上展开视图的展开或打开。图4E显示通过使用展开的或切片的视图呈现结肠表面的一部分。图4F示意地显示通过在展开的视图上使射线投射方向倾斜而得到的透视效果。图5A示意地显示包括射线投射方向展开的轴和周围的空腔限定的

8、表面的侧视 图，其中摄影机位置沿空腔中心线移位。图5B示意地显示在图5A的摄影机位置处得到的展开的视图。图6A示意地显示包括射线投射方向展开的轴和周围的空腔限定的表面的侧视 图，其中摄影机位置沿空腔中心线但与图5A相反的方向移动。图6B示意地显示在图6A的摄影机位置处得到的展开的视图。图7示意地显示在摄影机位置处与空腔中心线相切的直线展开轴。图8示意地显示与一部分空腔中心线一致的弯曲的展开轴。图9示意地显示以检查位置为几何中心的透视的内窥镜视图。图10显示包括两个辅助倾斜视图的示例性透视的内窥镜视图。图11示意地显示在选择的间隔(dintCTval)上计算统计特性的射线投射的端视图。图12示意

9、地显示其上计算统计特性的体素。图13显示利用MIP统计特性和对比度增强成像的示例性灰度展开的视图。图14A示意地显示利用统计特性的射线投射，它被施加到包括附着的一部分粪便 物质的空腔限定的一部分结肠表面。图14B示意地显示相应于图14A的结肠空腔部分的灰度展开视图的一部分，其中 统计特性是在该距离(dintCTval)上的体素值的取平均。图14C示意地显示相应于图14A的结肠空腔部分的灰度展开视图的一部分，其中 统计特性是在该距离(dintCTval)上的MIP。参照图1，虚拟内窥镜检查系统包括诊断成像设备，诸如所显示的计算机X射线层 析摄影术成像扫描仪10。所显示的扫描仪10包括圆锥波束X射

10、线源12和被安装在旋转机 架16上在成像区域20的对面的二维X射线检测器阵列14。(X射线源12、检测器阵列14 和旋转机架16为了说明起见被显示于图1 ；然而，将会看到，典型地，这些部件被封装在静 止的机架外壳内。)内窥镜检查对象，诸如要检查结肠、膀胱、血管、气管或其它空腔限定的 结构的肿瘤或异常的病人、要进行包括结肠癌筛选的通常的体格检查的病人等等，被放置 在病人支撑台22上，并被移到成像区域20。结肠或感兴趣的其它空腔限定的结构的立体的 计算机X射线层析摄影术数据通过使用扫描仪10而得到，并存储在数据存储器M中。重 建处理器沈利用滤波反投影或另外的图像重建算法把采集的投影数据重建成结肠或

11、感兴 趣的其它空腔限定的结构的立体图像，并把它存储到立体图像存储器30。应当看到，所显示的计算机X射线层析摄影术扫描仪10是一个例子，它可以用适 用于能对感兴趣的器官成像的其它立体成像系统代替。例如，磁共振成像扫描仪可被适当 地用作某些虚拟内窥镜检查手术的成像器。还应当看到，病人或其它成像对象可任选地在内窥镜手术之前或期间进行一个或 多个预备过程。作为例子，在虚拟结肠镜手术之前，病人典型地禁止服用食物和饮料，并在 虚拟内窥镜检查手术之前的规定的时间间隔内给予一种或多种药物，以促进肠的蠕动，以 便大肠基本上排空大便。扩张物质注射器34把适当的扩张物质注入结肠，以便在成像期间 扩张结肠。适当的扩张

12、物质例如包括经由一个插入结肠的管道注入的室内空气；压力控 制的二氧化碳；或水。可选地，扩张物质包括适当的造影剂，以便增强在扩张的结肠壁与结 肠空腔之间的图像对比度。例如，当利用磁共振成像来得到立体成像数据时，为此目的可以 把钆基造影剂加到水基扩张流体。这里公开的某些虚拟内窥镜检查手术提供有关在感兴趣的器官壁以外的深度间 隔中的组织的统计信息，这在不同情形下可以是有用的。例如，这样的信息可以被用于虚拟 结肠镜检查以分辨粪便物质与结肠壁的息肉或其它特性。在这里公开的其它内窥镜检查手 术中，静脉造影剂注射器36以静脉注入方式注射增强血液对比度的造影剂；因此，壁穿透 间隔统计学提供有关在感兴趣的器官壁

13、附近的脉管的信息，它例如在识别和分类某些有害 的特性时是有用的。被存储在立体图像存储器30中的结肠或感兴趣的其它器官的立体图像由中心线 处理器46来处理，该处理器将图像分段，以区分结肠或感兴趣的其它器官的空腔，并且确 定空腔的中心线。实际上，可以使用任何立体图像分段处理过程。在一个适当的分段处理过程中，相应于空腔的体素被识别为对X射线透明的或具有低的X射线不透明度的体素，而 相应于周围的组织的体素被识别为具有更高的X射线不透明度的体素。在分段后，中心线 处理器46分析分段立体图像，以识别选择的轨迹，诸如沿结肠或感兴趣的其它器官的中心 线。基本上，可以使用任何适用于识别或规定通过大体上管状或细长

14、的结构的中心线或其 它轨迹的轨迹规定处理过程。在某些实施例中，中心线是通过使用跟踪中心线的体素位置 的排序的序列而被规定。在其它实施例中，中心线被规定为拟合的分段的空腔的中心线的 实验公式或数学模型。足以规定中心线的信息被存储在中心线存储器48。结合图形用户接口 52起操作的虚拟内窥镜检查处理器50提供结肠壁或感兴趣 的其它器官的壁的互动的虚拟内窥镜图像。用户互动地处理虚拟内窥镜图像以便来定位和 检查可疑的息肉或其它感兴趣的区域。内窥镜成像可以利用在虚拟空间中近似于研究结肠 或感兴趣的其它器官的物理的内窥镜检查摄影机的熟悉视图的透视图像。替换地或另外 地，内窥镜成像利用展开的或切片的视图，其中

15、结肠或感兴趣的其它大体上为管状的或细 长的器官使用数学处理被纵向剖开和打开。在这样的图像中的像素是通过模拟光从空腔的 内壁反射到虚拟摄影机并产生熟悉的表面反射图像而被生成的。在某些过程中内窥镜成像 包括壁穿透间隔信息。在某些手术中，在相对于远离虚拟摄影机的检查位置的透视图上执 行对可疑的息肉或感兴趣的其它区域的检查。这些特性是例子一虚拟内窥镜成像可以包 含这些特性的各种组合，并且可以包含附加的或其它特性。在所显示的实施例中，图形用户 接口 52还与扫描仪控制器M通信，通过它用户可以操作计算机X射线层析摄影术成像扫 描仪10。在其它的实施例中，利用分开的用户接口来操作扫描仪。虽然这里作为说明性实

16、例手术描述了虚拟内窥镜检查，但可以看到，公开的虚拟 内窥镜检查过程可以更一般地在其它局部中空的器官、体腔、非生物空腔限定的结构等等 方面得到利用。继续参照图1并参照图2，描述了虚拟内窥镜检查处理器50的实施例。虚拟内窥 镜检查过程，诸如虚拟结肠镜检查过程，典型地用于识别和检查伤痕、息肉或其存在和/或 精确的位置是未知的其它特性。因此，虚拟内窥镜检查典型地在初始包括探查空腔限定的 表面。这种探查优选地通过使用展开的或切开的视图来进行。展开的视图利用径向环绕和 纵向沿着直线或弯曲的展开轴而分布的视线。最终得到的图像被变换成空腔限定的表面的 一部分的展开表示。一旦识别了伤痕、息肉和感兴趣的其它特性，用户典型地就希望更仔细地检查特 性。在展开的视图上进行精确的特性检查是困难的，因为把三维空腔限定的表面变换成总 体上铺开的平的表面会引入失真。因此，要构建感兴趣的特性的透视图。透视图具有内窥 镜摄影机观看感兴趣的特性的优势。在构建展开的视图或透视图时，规定多个射线投射方向，射线投射处理器66确定 相应于每个射线投射方向的适当的像素值。在某些虚拟内窥镜成像模式中，像素值是