CN101766491A - 无须清洗肠道准备的虚拟肠镜方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无须清洗肠道准备的虚拟肠镜方法，它包括如下步骤：(1)经肛门灌注准备剂至结直肠，对结直肠进行CT扫描得到原始数据；(2)根据上述CT扫描的原始数据对结直肠内部的液体、空气和粪便的图像值进行分类；(3)对分类后的结直肠内部的液体和空气的接触面进行标识；(4)根据结直肠内部的液体、空气或粪便的图像值的并集得到结直肠的掩码，进而根据结直肠的掩码生成结直肠中线；(5)虚拟显示结直肠的内表面。本发明还公开了一种无须清洗肠道准备的虚拟肠镜系统。本发明能够减少CT扫描前的清肠准备，并且不用对结直肠进行充气从而减少生理痛苦。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用计算机构建结直肠三维模型的方法及系统。
背景技术
虚拟肠镜技术主要原理是对人或动物的腹部进行CT扫描，对CT数据进行处理后重建结直肠的三维模型，再利用计算机图形渲染技术来模拟真实的光学肠镜显示结直肠内壁细节，用以检查肠壁上生长出来的息肉和肿瘤。
现有虚拟肠镜技术进行检测时首先需要进行严格的清肠准备工作(包括控制饮食、禁食、强泻药排空粪便及灌肠洗肠等组合方式)；在进行CT扫描前，需要从人或动物的肛门处对结直肠进行充气。此外，由于结直肠很难被完全情干净，结直肠内总会有残余液体和粪便，这些残余物会严重影响虚拟肠镜的检查效果；为了解决这一问题，在进行CT扫描的时候需要病人口服造影剂，对结直肠内的残余物进行增强，然后，再利用计算图像分割技术把增强部分从原始数据中移除，从而实现清空结直肠。
上述现有技术的缺点是：(1)需要进行严格的清肠准备；(2)需要利用对比剂对结直肠内残余物进行增强，然后利用计算机图像分割技术进行移除，会造成一定的假象；(3)需要对结直肠进行充气，充气的过程通常都会使人或动物非常痛苦。
发明内容
本发明的目的是提供一种无须清洗肠道准备的虚拟肠镜方法及系统，能够减少CT扫描前的清肠准备，并且不用对结直肠进行充气从而减少生理痛苦。
为了实现上述目的，本发明无须清洗肠道准备的虚拟肠镜方法的技术方案为：一种无须清洗肠道准备的虚拟肠镜方法，它包括如下步骤：
(1)经肛门灌注准备剂至结直肠，对病人腹部进行CT扫描得到原始数据；
(2)根据上述CT扫描的原始数据对结直肠内部的液体、空气和粪便的图像值进行分类；
(3)对分类后的结直肠内部的液体和空气的接触面进行标识；
(4)根据结直肠内部的液体、空气或粪便的图像值的并集得到结直肠的掩码，进而根据结直肠的掩码生成结直肠中线；
(5)沿所述结直肠中线进行视点的移动，同时运行光投射程序，利用步骤(1)得到的原始数据、步骤(2)得到的分类数据、步骤(3)得到的标识数据以及步骤(4)得到的结直肠的掩码来虚拟显示结直肠的内表面。
在步骤(5)中，进一步包括：(5a)当视点被移动到结直肠中线某一位置时，首先确定图像平面的位置和法向量，图像平面的每一个像素确定一根投射光线；(5b)对每一根光线，首先把采样点从视点移到结直肠内表面附近；(5c)根据每个采样点所在的物质确定使用何种对应的颜色映射表和法线计算方法；(5d)若采样点属于粪便或空气和液体的接触面，则被显示成透明或者不被显示；在空气中的出发点到接触面之间的采样点以及从液体投射到空气中的采样点被忽略；(5e)在每个采样点上，设定有一个点光源被放置在视点，利用Blinn-Phone模型来计算本地光照；(5f)计算出来的光照颜色结果按照从前到后的顺序进行累积，当光线投射到结直肠表面的时候停止而渲染出结直肠内表面。
在步骤(5a)中，根据结直肠内像素图像值自动分类的结果，判断光线是否在液体、空气或两者的接触面上。
在步骤(1)中的准备剂为碘水造影剂。常规的碘造影剂包括油脂类和水制剂两类，但油脂类碘剂包括碘油和碘苯酯等，由于在结直肠中无法在造影后顺利及时清除，在本发明中不适用；本发明的肛门灌注碘造影剂为碘水制剂，碘水制剂分为无机碘剂(如碘化钠)和有机碘剂，有机碘剂根据水中有无离子化分为离子型和非离子型两种，离子型造影剂如三碘苯环化合物，如泛影葡胺、碘肽葡胺、双碘肽葡胺等，非离子型碘造影剂，如碘海醇、碘普罗胺、碘曲仑、优维显(Ultravist)、阿米培克(Amipaque)等，也可以是其他的安全使用的含碘化合物，如碘仿等，还可以是含碘食品，如加碘食盐等。肛门灌注碘造影剂的含碘浓度为5g/L～180g/L
在步骤(2)中，分类过程进一步包括：(2a)根据不同物质的相应图像值的范围，将三维像素经阈值分类法分为背景、骨、软组织、粪便、碘水和空气；(2b)对结直肠腔内具有部分容积效应的区域，用高斯混合模型来模拟它们的图像值，将该部分三维像素进一步准确地分类为空气、软组织、粪便或碘水。
在步骤(3)中，标识过程进一步包括：(3a)利用三维Sobel过滤器作边缘提取，获取所有的突出边缘；(3b)对任何边缘，如果其一相邻边已被分类为液体，而另一相邻边被分类为空气，则将该边缘标识为液体和空气的接触面；(3c)当液体内部存在气泡：气泡为球形时，将沿垂直方向连接所有的边缘形成最终标识的液体和空气的接触面；气泡式椭球或半球形时，将沿垂直和水平两个方向连接所有的边缘形成最终标识的液体和空气的接触面。
在步骤(4)中，结直肠中线的生成过程进一步包括：(4a)将所有归属于液体、空气或粪便的三维像素并集起来，然后计算出三维像素最多的连通体，该连通体即为结直肠，将所有属于该连通体的三维像素置为1，其它的置为0，则生成结直肠掩码；(4b)计算出结直肠内所有三维像素点到结直肠掩码边界的最短距离，找出离边界距离最大的点；(4c)当所有位于中线上的点都被找出后，利用B样条逼近法将中线平滑化。
步骤(1)中的CT扫描图像采样要求层厚为1mm或0.8mm，层间距小于层厚。
本发明无须清洗肠道准备的虚拟肠镜系统的技术方案为：一种无须清洗肠道准备的虚拟肠镜系统，包括有CT扫描装置，用于对结直肠进行CT扫描，还包括：
分类装置，用于根据上述CT装置的CT扫描数据对结直肠内部的液体、空气和粪便进行分类；
标识装置，用于对分类后的结直肠内部的液体和空气的接触面进行标识；
结直肠中线生成装置，用于根据标识的结直肠内部的液体、空气和粪便的并集得到结直肠的掩码，进而根据所述结直肠的掩码生成结直肠中线；
图形处理装置，根据所述ct扫描装置、分类装置、标识装置和结直肠中线生成装置得到的结果，驱动视点沿中线移动，同时运行光线投射程序来虚拟显示结直肠的内表面。
所述结直肠中线生成装置将所有归属于液体、空气或粪便的三维像素并集起来，计算出三维像素最多的连通体，该连通体即为结直肠，将所有属于该连通体的三维像素置为1，其它的置为0，则生成结直肠掩码；计算出结直肠内所有三维像素点到结直肠掩码边界的最短距离，找出离边界距离最大的点；当所有位于中线上的点都被找出后，利用B样条逼近法将中线平滑化。
与现有技术相比，在结直肠内部有大量液体和少量粪便的情况下，已有技术的显示模块只能显示结直肠和空气接触的内表面，而本发明的方法不使用图像分割技术便能对原始数据进行渲染从而显示结直肠内表面。因此，本发明的虚拟肠镜方法不需要病人进行严格的清肠准备，允许肠道内有少量粪便；不需要对结直肠进行充气；不对原始CT数据进行任何修改而使结直肠内的液体变得不可见，从而能够同时显示结直肠和空气以及结直肠和液体的接触面，利用计算机显示真正的结直肠内表面。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的方法流程框图。
图2是实现本发明的系统组成图。
具体实施方式
请参阅图1，本实施例的无须清洗肠道准备的虚拟肠镜方法步骤如下：
(1)经肛门给结直肠灌注碘水造影剂，然后进行CT扫描。
扫描前5分钟经肛管肛门灌注配置碘水造影剂200～2500ml，优选500～1500ml，最佳为1000ml～1500ml。对于小儿，其用量相应减少。
扫描范围：上腹部剑突下5cm水平至耻骨联合水平。
扫描位置：同样范围俯卧及仰卧位各扫描一次。
扫描条件：毫安数大于450mA，电压选择自动。
扫描螺距：1.375∶1
图像采样要求：层厚不高于1.25mm，最佳1mm或0.8mm(如条件许可)。层间距不得大于层厚(如层厚为1.25mm，层间距最大只能选择1.25mm)，建议层间距小于层厚。
将CT输出的标准DICOMM数据导入图像处理程序。
(2)对结直肠内部的液体、空气和粪便进行分类。
分类过程包括两轮处理步骤。第一步，根据不同物质的相应图像值的范围，将三维像素经阈值分类法分为：背景、骨、软组织、粪便、碘水、或空气。第二步，算法集中处理结直肠腔内的区域。在肠内，由于空气和碘水造影剂的影响，有一小部分三维像素的图像值不处于空气、软组织、粪便及碘水的相应图像范围之间，在图像处理领域，该现象称为部分容积效应。对于这些三维像素，我们的算法用高斯混合(Gaussian Mixture)模型来模拟它们的图像值的形成。也就是说，该图像值主要是由何种比例的上述四种物质混合造成。根据计算出的比例，算法就能将这一小部分三维像素进一步准确地分类为空气、软组织、粪便或碘水。
(3)对结直肠内部的液体和空气的接触面进行标识。
液体内部会产生气泡，在图像中，由于气泡的图像值远低于造影剂的图像值，这样一来，在两种物质的交汇处会形成一层临界面。找出该临界面对与后面的光线投射模块有重大意义，可使投射的光线顺利地穿越该层，而且清楚地知道它何时需要转变所使用的颜色及透明度渲染。这是因为受造影剂液体和空气之间的部分容积效应的影响，这一临界层的CT图像值与软组织的CT图像值非常近似，如果不标识该层，投射的光线到达该层时，将误以为已到达结直肠内表面而停止，从而形成结直肠伪表面。
首先利用三维Sobel过滤器作边缘提取，获取所有的突出边缘。对任何边缘，如果其一相邻边已被分类为造影剂液体，而另一相邻边被分类为空气，则将该边缘标识为液体和空气的接触面。
同时，根据气泡的形状对标识的接触面结果进行优化：由于气泡根据其大小不同，形状可为球形，椭球形或半球形。当气泡为球形时，将沿垂直方向连接所有的边缘形成最终标识的液体和空气的接触面；而当气泡式椭球或半球形时，将沿垂直和水平两个方向连接所有的边缘形成最终标识的液体和空气的接触面。
(4)根据结直肠内部的液体、空气和粪便数据的并集得到结直肠的掩码，进而根据所述结直肠的掩码生成结直肠中线。
具体实现过程为：将所有归属于液体、空气或粪便的三维像素并集起来，然后计算出三维像素最多的连通体，该连通体即为结直肠，将所有属于该连通体的三维像素置为1，其它的置为0，则生成结直肠掩码。换而言之，结直肠掩码就是一个二进制的标识位用以告知该三维像素是否属于结直肠内部。
根据结直肠掩码，计算出结直肠内所有三维像素点到结直肠掩码边界的最短距离。很显然，位于结直肠中线的三维像素点比靠近边界的三维像素点到边界的距离要大。所以，首先找出离边界距离最大的点，这一点肯定将落于中线上，然后从该点出发，逐步找出所有其它位于中线上的三维像素点。当所有位于中线上的点都被找出后，利用B样条逼近法将中线平滑化，以避免后述步骤中视点在中线上移动时，抖动剧烈。
(5)液体、空气、液体和空气的接触面、液体内的粪便、小气泡以及原始CT数据和结直肠的掩码一起传给计算机显卡的图形处理单元；由导航模块驱动视点沿中线移动，运行在图形处理单元上的光线投射程序，利用以上数据来虚拟显示结直肠的内表面。结直肠内表面以内的物质包括造影剂、空气及粪便不会被显示，否则将妨碍结直肠内表面息肉及肿瘤的诊断。
上述虚拟显示结直肠内表面的过程具体为：导航模块控制视点沿结直肠中线移动，同时驱动光线投射模块，从而使整个肠道从直肠到盲肠逐步动态显示出来。当视点被移动到某一位置时，驱动导航模块首先确定图像平面的位置和法向量，图像平面的每一个像素确定了一根投射光线。然后，对每一根光线，首先利用结直肠的掩码把采样点移动结直肠内表面，然后再退回一小段距离，从这里开始真正的渲染；在每个采样点上，根据采样点所在位置的物质确定使用何种对应的颜色映射表和法线计算方法；对光线上的每一个采样点，首先需要根据标识的粪便、空气、液体以及它们的接触面，来确定颜色映射表和采样点的法向量的计算方法；在每个采样点上，我们设定有一个点光源被放置在视点，然后利用Blinn-Phone模型来计算本地光照；计算出来的光照颜色结果按照从前到后的顺序进行累积；若某些光线在真正的渲染过程中遇到过标识的粪便和小气泡，这些光线将使用另外一种颜色，用以标识结直肠内表面上的粪便和小气泡。最终，当光线投射到结直肠表面的时候会停止而渲染出结直肠内表面。
请参阅图2，利用上述方法进行虚拟肠镜的系统包括数据获取设备(CT图像扫描装置)、计算设备和显示控制设备，获取设备分别与计算设备和显示控制设备相连接。计算设备包括中央处理器、内部存储器和图形显示卡，其中图形显示卡包括了图形处理器及显卡内存。在计算设备中，中央处理器及内存主要用于前期处理，包括有肠内容物分类、液体与空气的接触面标识、结直肠掩码及中线生成等；而光线投射模块和导航模块主要运行于图形显示卡中。导航模块根据获得的结直肠中线决定每个视点的位置和角度，而光线投射模块则根据给定的视点的位置和角度渲染出对应的结直肠的内表面。数据及数据分析结果可输出到硬盘或其它外部存储介质中，也可以从这些介质中重新读入进行进一步计算及分析。
Claims (10)
1.一种无须清洗肠道准备的虚拟肠镜方法，其特征在于，它包括如下步骤：
(1)经肛门灌注准备剂至结直肠，对病人腹部进行CT扫描得到原始数据；
(2)根据上述CT扫描的原始数据对结直肠内部的液体、空气和粪便的图像值进行分类；
(3)对分类后的结直肠内部的液体和空气的接触面进行标识；
(4)根据结直肠内部的液体、空气或粪便的图像值的并集得到结直肠的掩码，进而根据结直肠的掩码生成结直肠中线；
(5)沿所述结直肠中线进行视点的移动，同时运行光投射程序，利用步骤(1)得到的原始数据、步骤(2)得到的分类数据、步骤(3)得到的标识数据以及步骤(4)得到的结直肠的掩码来虚拟显示结直肠的内表面。
2.根据权利要求1所述的虚拟肠镜方法，其特征在于，在步骤(5)中，进一步包括：(5a)当视点被移动到结直肠中线某一位置时，首先确定图像平面的位置和法向量，图像平面的每一个像素确定一根投射光线；(5b)对每一根光线，首先把采样点从视点移到结直肠内表面附近；(5c)根据每个采样点所在的物质确定使用何种对应的颜色映射表和法线计算方法；(5d)若采样点属于粪便或空气和液体的接触面，则被显示成透明或者不被显示；在空气中的出发点到接触面之间的采样点以及从液体投射到空气中的采样点被忽略；(5e)在每个采样点上，设定有一个点光源被放置在视点，利用Blinn-Phone模型来计算本地光照；(5f)计算出来的光照颜色结果按照从前到后的顺序进行累积，当光线投射到结直肠表面的时候停止而渲染出结直肠内表面。
3.根据权利要求2所述的虚拟肠镜方法，其特征在于，在步骤(5a)中还，根据结直肠内像素图像值自动分类的结果，判断光线是否在液体、空气或两者的接触面上。
4.根据权利要求1所述的虚拟肠镜方法，其特征在于，在步骤(1)中的准备剂为碘水造影剂。
5.根据权利要求4所述的虚拟肠镜方法，其特征在于，在步骤(2)中，分类过程进一步包括：(2a)根据不同物质的相应图像值的范围，将三维像素经阈值分类法分为背景、骨、软组织、粪便、碘水和空气；(2b)对结直肠腔内具有部分容积效应的区域，用高斯混合模型来模拟它们的图像值，将该部分三维像素进一步准确地分类为空气、软组织、粪便或碘水。
6.根据权利要求1所述的虚拟肠镜方法，其特征在于，在步骤(3)中，标识过程进一步包括：(3a)采用三维Sobel过滤器作边缘提取，获取所有的突出边缘；(3b)对任何边缘，如果其一相邻边已被分类为液体，而另一相邻边被分类为空气，则将该边缘标识为液体和空气的接触面；(3c)当液体内部存在气泡：气泡为球形时，将沿垂直方向连接所有的边缘形成最终标识的液体和空气的接触面；气泡式椭球或半球形时，将沿垂直和水平两个方向连接所有的边缘形成最终标识的液体和空气的接触面。
7.根据权利要求1所述的虚拟肠镜方法，其特征在于，在步骤(4)中，结直肠中线的生成过程进一步包括：(4a)将所有归属于液体、空气或粪便的三维像素并集起来，然后计算出三维像素最多的连通体，该连通体即为结直肠，将所有属于该连通体的三维像素置为1，其它的置为0，则生成结直肠掩码；(4b)计算出结直肠内所有三维像素点到结直肠掩码边界的最短距离，找出离边界距离最大的点；(4c)当所有位于中线上的点都被找出后，利用B样条逼近法将中线平滑化。
8.根据权利要求1所述的虚拟肠镜方法，其特征在于，步骤(1)中的CT扫描图像采样要求层厚为1mm或0.8mm，层间距小于层厚。
9.一种无须清洗肠道准备的虚拟肠镜系统，包括有CT扫描装置，用于对结直肠进行CT扫描，其特征在于，还包括：
分类装置，用于根据上述CT装置的CT扫描数据对结直肠内部的液体、空气和粪便进行分类；
标识装置，用于对分类后的结直肠内部的液体和空气的接触面进行标识；
结直肠中线生成装置，用于根据标识的结直肠内部的液体、空气和粪便的并集得到结直肠的掩码，进而根据所述结直肠的掩码生成结直肠中线；
图形处理装置，根据所述CT扫描装置、分类装置、标识装置和结直肠中线生成装置得到的结果，驱动视点沿中线移动，同时运行光线投射程序来虚拟显示结直肠的内表面。
10.根据权利要求9所述无须清洗肠道准备的虚拟肠镜系统，其特征在于，所述结直肠中线生成装置将所有归属于液体、空气或粪便的三维像素并集起来，计算出三维像素最多的连通体，该连通体即为结直肠，将所有属于该连通体的三维像素置为1，其它的置为0，则生成结直肠掩码；计算出结直肠内所有三维像素点到结直肠掩码边界的最短距离，找出离边界距离最大的点；当所有位于中线上的点都被找出后，利用B样条逼近法将中线平滑化。
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