CN1771517A - 实现虚拟内镜检查的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供实现虚拟内镜检查的系统(100)和方法(205－265)。所述方法(205－265)包括以下步骤：利用腔的三维(3D)数据计算距离图(210)；计算腔的多平面重构(MPR)(220)，其中，计算与内镜位置上的腔正交的MPR；根据内镜位置上腔的MPR实现第一区域生长(225)，其中，标记与第一区域相关联的数据(230)；利用距离图的对应距离计算距已标记的第一区域生长数据的最小距离和最大距离(240)；根据腔的MPR对第一区域生长之外的数据进行第二区域生长(245)，其中，标记与第二区域生长相关联的数据(250)；以及实现与第一区域生长和第二区域生长(260)相关联的已标记数据的3D再现。

Description

实现虚拟内镜检查的系统和方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2003年3月12日提交的美国临时申请No.60/454,105的优先权，所述临时申请的副本被包括在本申请中作为参考。
1.技术领域
本发明涉及实现虚拟内镜检查，更准确地说，涉及利用虚拟内镜图像的多平面重构(MPR)和三维(3D)再现来实现虚拟内镜检查。
2.相关技术的讨论
虚拟内镜检查(或计算内镜检查)是利用计算机处理三维(3D)图像数据集(例如，计算机X射线体层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)扫描)，提供模拟可视化患者具体器官的诊断方法，这些器官与标准侵入式内镜检查过程产生的器官类似。虚拟内镜检查已应用到许多内镜检查过程，包括支气管镜检查、结肠镜检查、胰腺镜检查、喉镜检查和耳镜检查。通过利用虚拟内镜检查，可以获得患者具体器官的非入侵式解剖学结构，从而降低了与实现标准入侵式内镜检查过程相关程序上的难度。
在通常的虚拟内镜检查过程中，建立3D图像以便模拟来自例如光纤内镜的图像。因此，为了检测表面的异常，人们可以穿过结肠的腔，观察结肠内表面。这是通过利用透视投影选择虚拟内镜的观察点实现的，所述观察点通常具有很宽的范围(例如，110度)。
虽然获得的图像对检查腔的内表面是有用的，但有关腔外表面的信息通常是看不见的。因此，很难确定腔壁的厚度或出现在腔外表面的异常。此外，通过利用广角透视投影(例如，100或110度)，可能隐蒇在腔的褶皱和弯曲部分中的诸如瘤的特征就无法观察到。
发明概述
本发明通过提供一种实现虚拟内镜检查的系统和方法来克服先有技术遇到的前述和其它问题。
在本发明的一个实施例中，实现虚拟内镜检查的方法包括以下步骤：利用腔的三维(3D)数据计算距离图；计算腔的多平面重构(MPR)；根据腔的MPR实现区域生长；标记区域生长的数据；以及实现标记的区域生长数据的3D再现。
在本发明另一个实施例中，实现虚拟内镜检查的方法包括以下步骤：利用腔的3D数据计算距离图；计算腔的MPR，其中计算与内镜位置上与腔正交的MPR；根据内镜位置上腔的MPR实现第一区域生长；利用距离图的对应距离计算距第一区域生长数据的最小距离和最大距离；根据腔的MPR对除了第一区域生长之外的数据进行第二区域生长；以及实现与第一区域生长和第二区域生长相关联的数据的3D再现。
在本发明的又一个实施例中，实现虚拟内镜检查的系统包括：用于存储程序的存储装置；与存储装置通信的处理器，其中，所述处理器利用所述程序执行以下操作：利用腔的3D数据计算距离图；计算腔的MPR，其中计算内镜位置上与腔正交的MPR；根据内镜位置上腔的MPR实现第一区域生长；利用来自距离图的对应距离计算距第一区域生长数据的最小距离和最大距离；根据腔的MPR对除了第一区域生长之外的数据进行第二区域生长；以及实现与第一区域生长和第二区域生长相关联的数据的3D再现。
在本发明的另一个实施例中，计算机程序产品包括其上记录有实现虚拟内镜检查的计算机程序逻辑的计算机可用媒体，所述计算机程序逻辑包括：用于利用腔的3D数据计算距离图的程序代码；用于计算腔的MPR的程序代码，其中，计算内镜位置上与腔正交的MPR；用于根据内镜位置上腔的MPR实现第一区域生长的程序代码；用于利用来自距离图的对应距离计算距第一区域生长数据的最小距离和最大距离的程序代码；用于根据腔的MPR对除了第一区域生长之外的数据进行第二区域生长的程序代码；以及用于实现与第一区域生长和第二区域生长相关联的数据的3D再现的程序代码。
在本发明的又一个实施例中，用于实现虚拟内镜检查的系统包括：用于利用腔的3D数据计算距离图的装置；用于计算腔的MPR的装置，其中计算内镜位置上与腔正交的MPR；用于根据内镜位置上腔的MPR实现第一区域生长的装置；用于利用来自距离图的对应距离计算距第一区域生长数据的最小距离和最大距离的装置；用于根据腔的MPR对除了第一区域生长之外的数据进行第二区域生长的装置；以及用于实现与第一区域生长和第二区域生长相关联的数据的3D再现的装置。
在本发明的另一个实施例中，用于实现虚拟内镜检查的方法包括以下步骤：从腔获取3D数据；利用腔的3D数据计算距离图；将内镜定位在腔中所需的位置上；计算腔的MPR，其中计算内镜位置上与腔正交的MPR；根据内镜位置上的腔的MPR实现第一区域生长；标记与第一区域生长相关联的用于再现的数据；利用来自距离图的对应距离计算距已标记的第一区域生长数据的最小距离和最大距离；对已标记的数据区域之外的数据进行多区域生长，所述已标记的数据区域处在与最小距离和最大距离的计算相关联的阈值范围内；标记与用于再现的多区域生长相关联的数据；以及实现与第一区域生长和多区域生长相关联的已标记的区域的3D再现。
上述优点和特征是具有代表性的实施例，给出这些实施例有助于理解本发明。应该明白，它们并不打算用来限制由权利要求书限定的本发明，或限制权利要求书的等同物。因此，不应认为这些特征和优点的概述对确定等价性是决定性的。，根据附图并且根据权利要求书，在以下的描述中本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图的简要说明
图1是根据本发明的说明性实施例的用于实现虚拟内镜检查的系统的方框图；
图2是说明根据本发明的说明性实施例的用于实现虚拟内镜检查的方法的操作的流程图；
图3是根据本发明说明性实施例的腔的三维(3D)再现；
图4是3D再现的腔，所述腔包括没有3D再现的部分；以及
图5是根据本发明的说明性实施例对图4的腔的没有3D再现的部分进行3D再现的情况。
说明性实施例的详细说明
图1是根据本发明的说明性实施例的用于实现虚拟内镜检查的系统100的方框图。正如图1所示，除了别的以外，系统100包括扫描装置105、个人计算机(PC)110和连接到以太网120的操作员控制台115。扫描装置105可以是：磁共振成像(MRI)装置；计算机X射线体层摄影(CT)成像装置；螺旋形CT装置；正电子发射X射线体层摄影(PET)装置；二维(2D)或三维(3D)荧光屏检查成像装置；2D、3D或4维(4D)超声波成像装置；或X射线装置等。
PC机110可以是便携式或膝上型计算机、个人数字助理(PDA)等，它包括中央处理器(CPU)125和存储器130，它们连接到输入145和输出150。存储器130包括随机访问存储器(RAM)135和只读存储器(ROM)140。存储器130还可以包括数据库、磁盘驱动器、磁带驱动器等，或者它们的组合。RAM 135起数据存储的作用，它存储CPU 125执行程序期间使用的数据，并用作工作区。ROM 140起程序存储器的作用，用于存储CPU 125执行的程序。输入145由键盘、鼠标等构成，而输出150由液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)显示器、打印机等构成。
系统100的操作由操作员控制台115控制，操作员控制台115包括控制器(例如，键盘)160和显示器(例如，CRT显示器)155。操作员控制台115与PC机110和扫描装置105通信，使得由扫描装置105收集的2D图像数据可以由PC机110再现为3D数据并且在显示器155上观看。显然，PC机110可以在没有操作员控制台115的情况，操作和显示由扫描装置105提供的信息。
图2是说明根据本发明说明性实施例的用于实现虚拟内镜检查的方法的操作的流程图。如图2所示，从腔获取3D数据(步骤205)。这是通过利用扫描装置105(在本例子中为CT扫描器)实现的，在操作员控制台115上操作扫描装置105，以便对选择的腔扫描，产生一系列与所述腔相关的2D图像。然后，将所述腔的2D图像变换或转换成3D再现的图像。当然，所述腔可以是以下各种腔中的任何一种：结肠、胰腺、支气管、喉、气管、窦、耳道、血管、尿道和膀胱、或者任何其它内部开放的空间或管状器官的腔。
在从腔获取3D数据后，利用来自腔的3D数据计算距离图(步骤210)。通过把”1”的初始距离值赋予腔的第一个体素(例如，籽数体素)来计算距离图。检查与第一个体素相邻的体素，如果它们属于所述腔并且先前还没有赋予它们距离值，就赋予它们距离值”2”。接着，如果与被赋予距离值”2”的体素相邻的体素属于所述腔并且先前还没有赋予它们距离值，则赋予它们距离值”3”。所述过程重复一直到所述腔中所有体素都被赋予距离值为止。这样，在计算距离图期间，如果体素属于所述腔并且还没有被赋予距离值的话，具有距离值为”n”的体素的邻域(例如，相邻的体素)都将被赋予距离值”n+1”。
还是象图2中所示的那样，把内镜(例如，虚拟内镜)定位在所述腔中所需位置上(步骤215)。这是通过用户单击与所述腔中需要分析的区域相关联的屏幕位置来实现的，或者是通过经由预编程的”飞行路线”对所述腔进行贯穿飞以便寻找所需的研究位置来实现的。在步骤215后，计算在内镜位置上与腔正交的多平面重构(MPR)(步骤220)。然后，利用腔的MPR图像，就可在内镜位置上实现区域生长(步骤225)。与步骤210中计算距离图的过程类似，在区域生长中，在内镜位置的中心选择籽数体素，并赋予它第一值。然后，读出其邻域的体素并将邻域体素与阈值范围进行比较，阈值范围可以通过标记腔中感兴趣的区域确定，以便确定这样的邻域值(例如，相邻体素)是否落在阈值范围内。如果所述体素或各个体素都在阈值范围内，就赋予它/它们分第二值，所述过程重复一直到感兴趣的区域中的所有体素都被测试和/或被赋值为止。
这样，与区域生长相关联的数据就被标记为用于3D再现的候选者(步骤230)。通过赋予所述数据一个标识符来实现对所述数据的标记，所述标识符可以例如是不同于MPR中所有其它像素或体素值的值。这时，用户可以继续在步骤260中实现所述已标记数据的3D再现，或继续在步骤240中修改MPR图像(步骤235)。如果用户转到步骤260，则将MPR数据与所述已标记数据的3D再现组合，以便提供腔的增强图像。换句话说，MPR中已标记的像素和体素由腔的3D再现代替。
图3示出来自从步骤235至步骤260的直接进程的说明性图像300。如图3中所示，可以观察到腔外的信息(在本例中腔为结肠)。具体地说，结肠壁外的信息是可见的，通过利用这些信息就可以确定结肠壁的厚度，也可以观察到变异(例如，息肉)。此外，MPR图像的周围部分没有被再现(例如，不清楚的结肠图像)，因为它们没有被标记以便再现。因此，图像300只显示先前在步骤215中由用户选择的所需的腔部分。当然，对从步骤235到步骤260的直接进程的自由选择允许用户快速处理没有问题(例如，曲线或结肠袋褶皱)的腔部分。但是，还应当明白，可以取消步骤235，图2中的序列可以直接转到步骤240。
但是，如果用户要求进一步修改或增强MPR图像，就可以计算距离图的第一区域生长的已标记数据的最小距离和最大距离(步骤240)。这可以通过查找所有已标记数据(例如，已标记像素或体素)的距离值并把它们距步骤210的距离图上对应位置的最小距离和最大距离制成表。一旦计算出距离值，就可以实现关于第一标记区域外的数据的附加区域生长，所述第一标记区域被确认是所需要的腔的一部分。图4的图像400中图解说明标记区域外的数据的例子。
如图4中所示，图像400包括未经过3D再现的腔部分(在所述例子中所述腔也是结肠)。箭头指明所述部分(即，在第一区域生长后没有标记的腔部分)。为了再现由箭头指明的部分，要实现除第一区域生长之外的数据的另一次区域生长(步骤245)。这可以通过检查属于所述腔的在第一区域生长之后没有被标记的所有MPR的像素或体素来实现。如果发现了这些像素和体素，而它们处于十分接近距所计算的第一区域生长的已标记数据的最小距离和最大距离范围内，它们将用作后续区域生长(例如，第二、第三等区域生长)的籽数。接着，与区域生长相关联的数据被标记为候选的3D再现并被赋予标识符(步骤250)。将重复所述过程(步骤245-255)，一直到根据籽数像素到第一区域生长的距离，已经完成所有区域生长为止(步骤255)。
应当明白，在所述步骤序列(步骤245-255)中只能执行单一区域生长，在单一区域生长后用户可以选择直接转到步骤260。换句话说，在所述步骤序列期间，只有第二区域生长将被实现，没有第三、第四等区域生长。
还应当明白，基于计算的最大距离和最小距离的阈值(从步骤240获得)可以被设置成对将在其中实现第二或接下来的区域生长的区域进行限制。例如，可以简单地把阈值设置成计算的最小距离和最大距离(因而，第二区域生长不能超出这些点)，可以把阈值设置成计算的最小距离和最大距离的一半，或者可以把阈值设置成超过计算的最大距离和最小距离。
在步骤260，利用诸如射线投射(raycasting)、平面再现(例如，浓淡平面再现)、立体再现等3D再现技术，实现关于第一、第二、第三等区域生长的已标记数据的3D再现。应当明白，可以利用图1的CPU 125、或者诸如图形卡、立体再现卡等专用的再现硬件来实现3D再现。以图5的图像500来说明已标记的MPR图像的3D再现。如图像500所示，可以看见由箭头指明的图4的腔的所述部分。因此，可以看见结肠壁外的信息，因而可以确定诸如结肠壁的厚度，可以观察到诸如息肉那样的变异。在步骤260实现3D再现后，用户可以将内镜移到腔的另一个位置，并重复上述过程(步骤265)。
当然，可以用硬件、软件、固件、专用处理器或它们的组合等各种形式来实现本发明。在一个实施例中，可以用嵌入在程序存储装置中作为应用程序的软件来实现本发明。所述应用程序可以由包括任何合适结构的机器来上载和执行。
还应当明白，由于组成系统的一些部件和附图说明的方法的步骤可以用软件实现，所以系统部件(或过程的步骤)之间的实际连接可以随用于对本发明进行编程的方式的不同而不同。根据本文中提供的本发明的原理，本专业的技术人员将能够设想本发明的这些和类似的实现方案或配置。
还应当明白，上面的说明仅仅是具有代表性的说明性实施例。为了方便读者，上面的说明集中在可能的实施例的具有代表性的样本和说明本发明原理的样本。所述说明并不是要完全包括所有可能的变化。对于本发明的特殊部分可能还没有给出可供选择的实施例，或者另一些不明确的可供选择方案可以用于本发明的一部分，但是不打算放弃这些代替的实施例。其它应用和实施例可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下直接实现。因此，本发明不限于具体的所说明的实施例，因为可以生成上述实施例和包括上述实施例的非创造性的替换品的许多重新配置和组合，但是，按照以下权利要求书来限定本发明。可以理解，这些不明确的实施例中许多实施例处于以下权利要求书的范围内，而其中另一些是等价的。

Claims (30)

1.一种实现虚拟内镜检查的方法，它包括：
利用腔的三维数据计算距离图；
计算腔的多平面重构；
根据所述腔的所述多平面重构实现区域生长；
标记来自所述区域生长的数据；以及
实现来自所述区域生长的所述已标记数据的三维再现。
2.如权利要求1所述的方法，其中还包括：
获取所述腔的所述三维数据。
3.如权利要求2所述的方法，其中，通过以下成像技术中的一种来获取所述三维数据：计算机X射线体层摄影(CT)、螺旋形CT、X射线、正电子发射X射线体层摄影、荧光屏检查、超声波和磁共振(MR)成像技术。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述腔是结肠、胰腺、支气管、喉、气管、窦、耳道、血管、尿道和膀胱中的一种。
5.如权利要求1所述的方法，其中，计算与所述腔正交的所述多平面重构。
6.如权利要求1所述的方法，其中，在内镜位置上计算所述多平面重构。
7.如权利要求1所述的方法，其中，在内镜位置上实现所述区域生长。
8.如权利要求1所述的方法，其中，利用以下三维再现技术之一来实现与所述区域生长相关联的所述区域的所述三维再现：射线投射、表面再现和立体再现。
9.一种实现虚拟内镜检查的方法，它包括：
利用腔的三维数据计算距离图；
计算所述腔的多平面重构，其中，计算与内镜位置上的所述腔正交的所述多平面重构；
根据所述内镜位置上所述腔的所述多平面重构实现第一区域生长；
利用来自所述距离图的对应距离，计算距所述第一区域生长数据的最小距离和最大距离；
根据所述腔的所述多平面重构对所述第一区域生长之外的数据进行第二区域生长；以及
实现与所述第一区域生长和所述第二区域生长相关联的数据的三维再现。
10.如权利要求9所述的方法，其中还包括：
从所述腔获取所述三维数据。
11.如权利要求10所述的方法，其中，通过以下成像技术之一来获取所述三维数据：计算机X射线体层摄影(CT)、螺旋形CT、X射线、正电子发射X射线体层摄影、荧光屏检查、超声波和磁共振(MR)成像技术。
12.如权利要求9所述的方法，其中还包括：
标记来自所述第一区域生长的待再现的数据。
13.如权利要求9所述的方法，其中还包括：
标记来自所述第二区域生长的待再现的数据。
14.如权利要求9所述的方法，其中，所述腔为结肠、胰腺、支气管、喉、气管、窦、耳道、血管、尿道和膀胱中的一种。
15.如权利要求9所述的方法，其中，利用以下三维再现技术之一来实现与所述第一区域生长和所述第二区域生长相关联的所述数据的所述三维再现：射线投射、表面再现和立体再现。
16.如权利要求9所述的方法，其中，在与所述计算的最小和最大距离相关联的阈值范围内实现所述第二区域生长。
17.一种用于实现虚拟内镜检查的系统，它包括：
存储程序的存储器装置；
与所述存储器装置通信的处理器，所述处理器利用所述程序实现以下功能：
利用腔的三维数据计算距离图；
计算所述腔的多平面重构，其中，计算与内镜位置上所述腔正交的所述多平面重构；
根据所述内镜位置上所述腔的所述多平面重构实现第一区域生长；
利用来自所述距离图的对应距离计算距所述第一区域生长数据的最小距离和最大距离；
根据所述腔的所述多平面重构对所述第一区域生长之外的数据进行第二区域生长；以及
实现与所述第一区域生长和所述第二区域生长相关联的数据的三维再现。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述处理器还能利用所述程序代码来实现以下功能：
获取所述腔的所述三维数据。
19.如权利要求18所述的系统，其中，通过扫描装置，利用以下成像技术之一来获取三维数据：计算机X射线体层摄影(CT)、螺旋形CT、X射线、正电子发射X射线体层摄影、荧光屏检查、超声波和磁共振(MR)。
20.如权利要求17所述的系统，其中，标记与所述第一区域生长和所述第二区域生长相关联的数据。
21.如权利要求17所述的系统，其中，所述处理器还利用所述程序代码来实现以下功能：
显示由与所述第一区域生长和所述第二区域生长相关联的所述数据的所述三维再现产生的图像。
22.如权利要求21所述的系统，其中，所述图像由显示器显示。
23.一种计算机程序产品，它包括其上记录有用于实现虚拟内镜检查的计算机程序逻辑的计算机可用媒体，所述计算机程序逻辑包括：
用于利用腔的三维数据计算距离图的程序代码；
用于计算所述腔的多平面重构的程序代码，其中计算与内镜位置上的所述腔正交的所述多平面重构；
用于根据所述内镜位置上所述腔的所述多平面重构实现第一区域生长的程序代码；
用于利用来自所述距离图的对应距离计算距所述第一区域生长数据的最小距离和最大距离的程序代码；
用于根据所述腔的所述多平面重构对所述第一区域生长之外的数据进行第二区域生长的程序代码；以及
用于实现与所述第一区域生长和所述第二区域生长相关联的数据的三维再现的程序代码。
24.如权利要求23所述的系统，其中还包括：
从所述腔获取所述三维数据的程序代码。
25.如权利要求24所述的系统，其中，通过以下成像技术之一获取所述三维数据：计算机X射线体层摄影(CT)、螺旋形CT、X射线、正电子发射X射线体层摄影、荧光屏检查、超声波和磁共振(MR)。
26.如权利要求23所述的系统，其中，所述腔是结肠、胰腺、支气管、喉、气管、窦、耳道、血管、尿道和膀胱中的一种。
27.如权利要求23所述的系统，其中，利用以下三维再现技术之一来实现与所述第一区域生长和所述第二区域生长相关联的数据的三维再现：射线投射、平面再现和立体再现。
28.一种用于实现虚拟内镜检查的系统，它包括：
用于利用腔的三维数据计算距离图的装置；
用于计算所述腔的多平面重构的装置，其中，计算与内镜位置上的所述腔正交的所述多平面重构；
用于根据所述内镜位置上所述腔的所述多平面重构实现第一区域生长的装置；
用于利用来自所述距离图的对应距离计算距所述第一区域生长数据的最小距离和最大距离的装置；
用于根据所述腔的所述多平面重构实现所述第一区域生长之外的数据的第二区域生长的装置；以及
用于实现与所述第一区域生长和所述第二区域生长相关联的数据的三维再现的装置。
29.一种用于实现虚拟内镜检查的方法，它包括：
获取来自腔的三维数据；
利用所述腔的所述三维数据计算距离图；
将内镜定位在所述腔中所需的位置上；
计算所述腔的多平面重构，其中，计算与所述内镜位置上的所述腔正交的所述多平面重构；
根据所述内镜位置上所述腔的所述多平面重构实现第一区域生长；
标记与所述第一区域生长相关联的用于再现的数据；
利用来自所述距离图的对应距离计算距所述第一区域生长的所述已标记数据的最小距离和最大距离；
实现所述已标记数据区域之外的数据的多区域生长，所述已标记数据区域处于与所述数据的最小距离和最大距离的计算相关联的阈值范围内；
标记与所述多区域生长相关联的用于再现的数据；以及
实现与所述第一区域生长和所述多区域生长相关联的所述已标记区域的三维再现。
30.如权利要求29所述的方法，其中，进行所述多区域生长一直到已经对所述已标记数据区域之外的处于所述阈值范围内的所有数据进行所述多区域生长中至少一种区域生长为止。
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