CN100586379C - 一种计算机模拟定标活检方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在胃镜检查过程中对胃镜探头进行随动跟踪和虚拟内窥，从而实现对胃内病灶进行模拟定标活检的方法，并提供了一种进行计算机模拟定标活检的装置，该装置包括一主控模块和一用于获取胃镜探头空间位置和朝向信息的3D空间定位仪，其中主控模块包括胃内壁3D表面模型模块、胃镜探头3D空间定位模块、随动跟踪模块、虚拟内窥模央以及模拟定标活检模块。本发明有助于对胃部疾病进行长期有效的复查随访，能够实现对胃部病灶的无创模拟定标活检，并支持医生在体外进行完全非侵入式的病灶图像分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种胃镜探头的随动跟踪和虚拟内窥技术，尤其涉及一种计算机模拟定标活检方法及实现该方法的装置。
背景技术
胃癌年新发病例870,000，占全部癌症的9.9％。我国胃癌标化发病率，死亡率居恶性肿瘤第二位。癌前病变监测，干预阻断其向胃癌的发展，将显著降低胃癌的发生率和死亡率。胃癌前病变定期监测，可使早期胃癌的检出率超过50％，10年生存率达90％以上。胃部的一些常规疾病、如溃疡，也是发病率很高的常见病。目前，胃癌前病变癌变的监测主要使用普通光学内镜活检技术。然而普通光学内镜活检技术中，医生仅能够凭借内窥镜视图估计探头在胃中的相对位置，不能实时地了解探头在胃内部的准确位置。医生的估计受主观判断影响较大，使得检查较为费时。
定标活检技术(Marking Targeting Biopsy，MTB技术)兼具定标和活检功能，能对胃粘膜进行准确定标后作组织活检，并能保持一年以上的粘膜标记供随访再活检，且不影响病理观察，因而有助于发现早期癌变微小病灶，避免病灶遗漏。MTB技术为准确监测胃组织病理变化提供可能，通过该技术有可能建立胃定标组织库，与相应的病例资料、内镜图片、病理学检查和分子生物学标志物等组成数据库，为各种类型胃癌前病变转归变化提供直接证据，并可对各种干预阻断癌变的治疗方法作出正确的疗效评价。
虽然MTB技术已可以解决胃癌前病变癌变监测中取病理组织的准确性和判断干预阻断治疗的有效性，但是该技术操作有一定难度，也比一般活检钳操作繁琐，只能定标活检不能对活检时的并发症如出血等作处理，也不能作癌前病灶的局部治疗，另外定标液注射也有发生局部创伤的可能性。
发明内容
本发明利用医学图像技术、空间定位技术和计算机图形技术，提供一种在胃镜检查过程中对胃镜探头进行随动跟踪和虚拟内窥，从而实现对胃内病灶进行无创定标活检的方法及装置。
一种计算机模拟定标活检方法，包括如下步骤：
(1)利用断层成像设备得到受检者胃部空腔的断层扫描图像序列；
(2)将断层扫描图像序列解析后进行阈值分割，得到区分胃部空腔区域和非空腔区域的二值图像；
(3)提取胃部空腔区域和非空腔区域的交界面，构建代表胃壁内表面的计算机模型，并进行渲染；
(4)利用3D空间定位仪获取胃镜探头的空间位置和朝向信息；
(5)根据胃镜探头的空间位置和朝向信息调节内窥视点在胃内壁3D表面模型中的空间位置和朝向；
(6)根据内窥视点的空间位置和朝向信息对胃内壁3D表面模型进行内窥成像并显示；
(7)记录特定内窥视点的空间位置和朝向信息，并在胃内壁3D表面模型中进行标记；
(8)对所述的特定内窥视点在对胃内壁3D表面模型进行内窥成像时进行导航并显示。
为了实现计算机模拟定标活检方法，本发明还提供了一种进行计算机模拟定标活检的装置，包括：
一主控模块和一用于获取胃镜探头空间位置和朝向信息的3D空间定位仪；3D空间定位仪接入主控模块；
所述的主控模块包括：
用于构建并存放胃内壁3D表面模型的胃内壁3D表面模型模块；
用于采集并存储3D空间定位仪信号的胃镜探头3D空间定位模块；
用于读取胃镜探头3D空间定位模块中的数据，并调节内窥视点(虚拟内窥成像过程中对应探头空间位置和朝向的虚拟视点)在胃内壁3D表面模型中的空间位置和朝向的随动跟踪模块；
用于根据内窥视点的空间位置和朝向信息对胃内壁3D表面模型进行内窥成像并显示的虚拟内窥模块；
用于记录特定内窥视点的空间位置和朝向信息，并在胃内壁3D表面模型中进行标记的模拟定标活检模块，该模块可对所述的特定内窥视点在对胃内壁3D表面模型进行内窥成像时进行导航并显示。
本发明利用所述的3D空间定位仪(3D Guidance MedSafe)实现对胃镜探头的随动跟踪。3D空间定位仪是美国Ascension Technology公司生产的三维空间定位通用仪器。该仪器通过直流恒定磁场实现微型传感器和外部定位器之间的交互，计算并输出包括空间位置和方向角在内六个自由度的空间定位信息。利用直流恒定磁场测量空间方位，避免了传统交流磁场在使用时产生的磁场扭曲等问题，使得空间方位测量更加稳定、精确。3D空间定位仪的微型传感器经常用于导管类医疗仪器中，提供具有安全、低侵入特性的人体内空间位置的定位和追踪能力。此外，磁场空间定位装置所产生的测量磁场的强度极低，与地球磁场相近。故对人体无害，目前也未见对患者和临床医生产生不良生理影响的记录。
本发明采用的3D空间定位仪包括：
一平板直流磁场发射器(简称“平板发射器”)；
一电子控制中心；
一前置信号放大器；
一用于获取胃镜探头空间位置和朝向信号的微型方位传感器；
电子控制中心通过并行接口与平板直流磁场发射器相连，电子控制中心同时通过信号连线和前置信号放大器的输出端相连，微型方位传感器则和前置信号放大器的输入端相连，电子控制中心接入本发明的进行计算机模拟定标活检装置的主控模块。
微型方位传感器置于3D空间定位仪的有效检测空间当中的时候，每当微型方位传感器的位置或方向发生变化时，平板直流磁场发射器所发射的直流磁场与其相互所用，能够在微型方位传感器中引发一个实时的，可测量的信号变化。这些信号变化经过前置信号放大器的放大后，可以被电子控制中心接收，电子控制中心实时地计算和输出微型方位传感器在三维空间上的六个自由度信息测量值以及一些其他参数，包括X轴、Y轴和Z轴方向上的测量值x、y、z以及水平偏移角a、仰角e和自旋角r。
本发明计算机模拟定标活检方法主要采用胃镜探头随动跟踪技术，原理是利用断层扫描图像序列，经过图像的分割、可视化和模型优化，得到给定空间内的胃壁内表面的三维计算机模型；同时，利用3D空间定位仪获取探头的空间方位，最后在胃壁内表面模型构成的虚拟场景中，实时地依据空间方位关系，绘制探头方位和胃壁表面模型；此外，该技术还提供对胃壁三维模型进行虚拟内窥的结果，允许用户交互控制或基于随动跟踪进行内窥。
在进行胃镜探头的空间定位之前，要求保证检查床的方向与定位装置的测量空间中的Z轴平行；然后根据受检者所在位置找到标记过的断层扫描图像数据空间原点，并通过滑动条将该原点在3D空间定位仪的有效检测空间中的相对位置进行平移调校；最后要求在进行胃镜探头的随动跟踪时，断层扫描图像数据空间位于有效检测空间内、探头始终位于断层扫描图像数据空间内。
在进行胃镜探头的空间定位时，通过对3D空间定位仪进行数据采集操作，实时获取探头相对定位设备的位置。同时，依据探头相对定位设备的位置以及定位设备相对断层扫描空间的位置，实时地调整对应探头空间位置和朝向的内窥视点，并根据该内窥视点所在的空间位置和朝向实时绘制胃壁表面模型的三维内窥成像效果图。
本发明的有益效果是：
首先，提供了一种胃镜检查中对胃部病灶进行模拟定标活检的技术，适用于对胃部疾病进行长期有效的复查随访，有助于发现微小病灶，避免病灶遗漏。
其次，本发明方法是一种无创的虚拟内镜检查手段，临床医生能够选择在体外进行完全非侵入式的病灶图像分析，减轻受检者的痛苦。
最后，该技术具有胃镜检查过程的导航功能，能够有效减少胃镜探头在受检者胃部漫游的时间，在减轻受检者痛苦的同时降低医生工作负担。
附图说明
图1为本发明装置结构框图；
图2为本发明方法流程框图；
图3为本发明中断层扫描图像数据空间和平板直流磁场发射器位置关系示意图；
图4为本发明中有效检测空间和平板直流磁场发射器位置关系示意图；
图5为本发明中断层扫描图像数据空间与有效检测空间位置关系及各自坐标方向示意图。
具体实施方式
本发明计算机模拟定标活检方法利用3D空间定位仪获取空间方位数据，利用医学对象可视化技术来描绘探头和胃壁的空间方位关系。利用计算机图形学相关技术对胃壁模型进行虚拟内窥，并实现对胃内病灶的模拟定标活检。
如图1，本发明进行计算机模拟定标活检的装置，包括：
一主控模块和一用于获取胃镜探头空间位置和朝向信息的3D空间定位仪；3D空间定位仪接入主控模块；
主控模块包括：
用于构建并存放胃内壁3D表面模型的胃内壁3D表面模型模块；
用于采集并存储3D空间定位仪信号的胃镜探头3D空间定位模块；
用于读取胃镜探头3D空间定位模块中的数据，并调节内窥视点在胃内壁3D表面模型中的空间位置和朝向的随动跟踪模块；
用于根据内窥视点的空间位置和朝向信息对胃内壁3D表面模型进行内窥成像并显示的虚拟内窥模块；
用于记录特定内窥视点的空间位置和朝向信息，并在胃内壁3D表面模型中进行标记的模拟定标活检模块，该模块可对所述的特定内窥视点在对胃内壁3D表面模型进行内窥成像时进行导航并显示。
3D空间定位仪中，包括：方形的平板直流磁场发射器(简称“平板发射器”)；前置信号放大器；电子控制中心；微型方位传感器。电子控制中心通过并行接口与平板直流磁场发射器相连，电子控制中心同时通过信号连线和前置信号放大器的输出端相连，微型方位传感器则和前置信号放大器的输入端相连，电子控制中心接入本发明中计算机模拟定标活检装置的主控模块。
如图2，本发明计算机模拟定标活检方法的流程为
(1)利用断层成像设备得到受检者胃部空腔的断层扫描图像序列；
(2)将断层扫描图像序列解析后进行阈值分割，得到区分胃部空腔区域和非空腔区域的二值图像；
(3)提取胃部空腔区域和非空腔区域的交界面，构建代表胃壁内表面的计算机模型，并进行渲染；
(4)利用3D空间定位仪获取胃镜探头的空间位置和朝向信息；
(5)根据胃镜探头的空间位置和朝向信息调节内窥视点在胃内壁3D表面模型中的空间位置和朝向；
(6)根据内窥视点的空间位置和朝向信息对胃内壁3D表面模型进行内窥成像并显示；
(7)记录特定内窥视点的空间位置和朝向信息，并在胃内壁3D表面模型中进行标记；
(8)对所述的特定内窥视点在对胃内壁3D表面模型进行内窥成像时进行导航并显示。
实施本发明方法时，首先利用断层成像设备(例如计算机断层扫描设备，Computed Tomography，CT)对受检者实施腹部平扫，得到包含胃部空腔的断层扫描图像序列。在执行腹部平扫的时候，要求确保断层扫描空间的轴向与扫描床平行，同时标记扫描空间的原点位置。然后，将得到的断层扫描图像序列导入胃内壁3D表面模型模块。
胃内壁3D表面模型模块解析DICOM格式的医学图像数据，并经过灰度窗映射到256个灰度级后，在计算机中进行显示。在图像分割阶段，首先根据用户指定的灰度阈值对图像进行阈值分割，然后根据用户指定空腔中的任意一个种子点，利用区域生长法进行分割，最后得到区分胃部空腔区域和非空腔区域的二值图像。随后，利用改进的移动立方体(MarchingCubes)法，从分割后的图像中提取胃部空腔区域和非空腔区域的交界面，并对此交界面进行平滑和三角面片单元精简两步操作，构建代表胃壁内表面的计算机模型。最后、对模型表面赋予颜色和光照属性等特性系数后，定义虚拟光进行渲染。最终得到的胃内壁3D表面模型储存在胃内壁3D表面模型模块中。
在胃镜检查过程中，将电子控制中心接入主控模块。同时，将3D空间定位仪的微型方位传感器通过胃镜腔道绑定在胃镜的探头上，由此微型方位传感器探头的位置和方向就代表胃镜探头的位置和方向。在整个胃镜检查过程中须确保微型方位传感器同时位于断层扫描图像数据空间和3D空间定位仪的有效检测空间之内，保证测量的正确性，并降低因微型方位传感器移出有效检测空间而导致跟踪发生错误的可能性。
微型方位传感器置于3D空间定位仪的有效检测空间当中的时候，每当微型方位传感器的位置或方向发生变化时，平板直流磁场发射器所发射的直流磁场与其相互所用，能够在微型方位传感器中引发一个实时的，可测量的信号变化。这些信号变化经过前置信号放大器的放大后，可以被电子控制中心接收，同时电子控制中心实时地计算和输出微型方位传感器在三维空间上的六个自由度信息测量值以及一些其他参数，包括X轴、Y轴和Z轴方向上的测量值x、y、z以及水平偏移角a、仰角e和自旋角r。
胃镜探头3D空间定位模块对3D空间定位仪进行控制和通信。在一个可由用户指定的、恒定时间周期下，该模块反复地获取探头方位(即微型方位传感器的方位)的六个自由度信息的测量值，并将这些采集到的3D空间定位仪信号存储在胃镜探头3D空间定位模块中。
随动跟踪模块实时读取胃镜探头3D空间定位模块中的数据，并依据胃镜探头相对定位设备的位置和定位设备相对断层扫描空间的位置，实时调节内窥视点在胃内壁3D表面模型中的空间位置和朝向。
虚拟内窥模块根据随动跟踪模块中输出的内窥视点空间位置和朝向信息对胃内壁3D表面模型进行内窥成像并显示，虚拟内窥模块提供基于随动跟踪的虚拟内窥和基于用户交互的虚拟内窥两种模式。该模块自动提供内窥参数，在基于随动跟踪的虚拟内窥中，虚拟内窥镜的方位取决于随动跟踪的结果。虚拟内窥镜根据随动跟踪获得的探头方位数据，提供在探头位置上，以探头方向对胃壁表面模型进行实时虚拟内窥的结果。基于用户交互的虚拟内窥中，用户用键盘控制内窥视点的方向(上升、下降、左转、右转)和位置(向视场方向前进或后退)；此外，用户还可以根据全局视图中的视角方向来定义内窥镜视图中的视角方向；最后，还允许用户自定义相机前进和后退的速度、以及虚拟相机的自旋角度等。在用户交互控制模式下，并不获取三维空间定位器硬件数据，而是在全局视角和断层数据的三正交截面图像对内窥视点进行定位和随动跟踪。
模拟定标活检模块记录特定内窥视点(需要进行标记的内窥视点)的空间位置和朝向信息，同时在胃内壁3D表面模型中进行标记，并实现在对胃内壁3D表面模型中对特定内窥视点进行导航并显示。如当临床医生在胃镜检查过程中发现病灶时，通过交互方式通知该模块，该模块即能根据对胃镜探头随动跟踪的结果记录下当前病灶的位置，实现对病灶位置的模拟定标。此后，在临床医生对该病人进行复查随访的时候，模拟定标活检模块根据当前探头随动跟踪所获取的胃镜探头空间位置以及病灶的定标位置，通过导航的方法引导临床医生到达该病灶位置，从而提高复查的准确度、缩短复查时间、减轻病人痛苦以及降低医生工作负担。
本发明将断层医学图像文件的导入、灰度窗映射、图像序列显示、图像分割、表面重建、数据采集、虚拟内窥、模拟定标活检等功能整合在一起。本发明装置通过输出装置(如显示器)可输出全局视角、内窥镜视角和断层扫描图像数据的三正交截面图像(冠状面、矢状面和横断面)。
全局视角除了绘制胃壁表面模型和内窥视点外，还绘制了断层扫描图像数据空间的边框和平板直流磁场发射器，并使其各自处于正确位置。同时，用户能够选择是否可见各个视野角色以及胃壁模型是否半透明。
内窥镜视角提供对模型进行虚拟内窥的效果。
三正交截面图像提供了断层扫描图像数据的冠状面、矢状面和横断面，在每幅图像中都以十字线表示当前另外两个截面所在位置，其中十字交叉点即为探头所在的空间位置。
图3中指示了断层扫描图像数据空间(Image Data Space，IDS)和三维空间定位器的平板直流磁场发射器的相对位置关系。左图为俯视图，中图为鸟瞰图，右图为轴向视图。断层扫描图像数据空间是指用于重建的若干张断层扫描图像序列所表达的三维空间。平板发射器上方实线框表示断层扫描图像数据空间，线框的箭头指示了测量坐标系的方向。空间的原点(OCT)由成像时患者和成像设备的位置关系确定。该空间立方体的的长、宽、高由断层成像设备的扫描参数决定。对于符合DICOM标准的医学图像格式，相关的扫描参数，如像素间距、断层间距、原点位置、像素大小等，均可以从图像文件中解析出来并直接利用；对于不符合DICOM标准的医学图像格式，应指定正确的参数。在本发明中，断层扫描图像数据空间所在的位置仅与人体位置相关，而与空间定位器设备无关。
图4中指示了三维空间定位器的有效检测空间和平板直流磁场发射器的相对位置关系。左图为俯视图，中图为鸟瞰图，右图为轴向视图。有效检测空间是(Effective Measurement Space，EMS)是指三维空间定位器能够产生稳定的、低误差的测量结果的空间。对于本发明中3D GuidanceMedSafe所匹配的平板直流磁场发射器，有效检测空间位于发射器正上方，长、宽、高分别为400mm、400mm和360mm的立方体中，测量空间立方体的底面距离平板直流磁场发射器顶面100mm。平板发射器上方实线框表示有效检测空间。虚线箭头表示了测量坐标系的方向，其原点(OG)位于平板上表面的中心点，方向如箭头所示。空间的大小是平板直流磁场发射器的一个参数，与断层成像扫描设备、受检者扫描部位、姿势、位置等因素均无关。
图5中指示了IDS区域和EMS区域的相对位置关系。在执行胃部内镜检查的时候，IDS区域是根据断层扫描图像重建胃壁表面模型的空间，其空间方位仅和受检者身体位置有关；EMS区域是微型传感器的活动空间，用来计算内窥视点的相对位置，其空间方位仅仅和三维空间定位器设备的位置有关。因此，为确保内窥视点在胃壁表面模型中的相对位置如实地反应胃镜探头在胃壁中的相对位置，必须清楚IDS和EMS的相对位置关系，即除了保证两个空间的对应边线平行外，还需要确定SX、SY和SZ的值(根据图示关系由OCT、OG及其DX、DY、DZ确定)，之后即可如实地绘制内窥视点和胃壁表面模型的相对位置关系。
在探头随动跟踪模块中，根据从胃镜探头3D定位模块中读取的探头空间方位数据，在半透明的胃壁表面模型中实时调整内窥视点，同时在断层扫描图像数据的三正交截面图像中，以十字线来实时定位探头位置。在模拟定标活检过程时，如果因为空间不够、位置错置等原因，需要控制平板发射器进行少量的平移，探头随动跟踪模块允许用户实时地通过滑动条对平移量SX、SY和SZ进行调校，从而适应硬件的变化，保证绘制结果的正确。滑动条中的最大值和最小值根据系统参数计算确定，确保调节滑动条时不会导致IDS平移至EMS外部。
Claims (1)
1、一种进行计算机模拟定标活检的装置，包括：一主控模块和一用于获取胃镜探头空间位置和朝向信息的3D空间定位仪；3D空间定位仪接入主控模块；其特征在于，所述的主控模块包括：
用于构建并存放胃内壁3D表面模型的胃内壁3D表面模型模块；
用于采集并存储3D空间定位仪信号的胃镜探头3D空间定位模块；
用于读取胃镜探头3D空间定位模块中的数据，并调节内窥视点在胃内壁3D表面模型中的空间位置和朝向的随动跟踪模块；
用于根据内窥视点的空间位置和朝向信息对胃内壁3D表面模型进行内窥成像并显示的虚拟内窥模块；
用于记录特定内窥视点的空间位置和朝向信息，并在胃内壁3D表面模型中进行标记的模拟定标活检模块，模拟定标活检模块能够对所述的特定内窥视点在对胃内壁3D表面模型进行内窥成像时进行导航并显示。
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