專利名稱：用于虛擬結(jié)腸鏡檢查的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的方法和裝置的制作方法
相關(guān)申請的交叉參考優(yōu)先權(quán)這里，特別參考發(fā)明者Bernhard Geiger在2003年1月30日提交給美國專利和商標(biāo)局的共同未決的美國臨時(shí)專利申請No.60/443,734，其標(biāo)題是AUTOMATIC LOCAL PATH PLANNING FORVIRTUAL CONLONOSCOPY，這里結(jié)合參考其公開，并要求其優(yōu)先權(quán)。
在此，也特別參考發(fā)明者Bernhard Geiger和Jean DanielBoissonnat在2003年5月14日提交給美國專利和商標(biāo)局的共同未決的美國臨時(shí)專利申請No.60/470,579，其標(biāo)題是FAST CENTERLINEEXTRACTION，其中這里結(jié)合參考其公開，并且要求其優(yōu)先權(quán)。
本申請通常涉及計(jì)算機(jī)視覺和成像系統(tǒng)，并且尤其涉及用于自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的系統(tǒng)和方法，例如可被用于虛擬內(nèi)窺鏡檢查和虛擬結(jié)腸鏡檢查。
背景技術(shù)：
虛擬結(jié)腸鏡檢查(VC)指的是基于使用患者專用三維(3D)解剖學(xué)數(shù)據(jù)集的、標(biāo)準(zhǔn)的、最低限度探入的內(nèi)窺鏡檢查程序的計(jì)算機(jī)仿真的診斷方法。當(dāng)前內(nèi)窺鏡檢查程序的例子包括支氣管鏡檢查、竇鏡檢查(sinusoscopy)、上胃腸內(nèi)窺鏡檢查、結(jié)腸鏡檢查、膀胱鏡檢查、心臟鏡檢查和尿道鏡檢查。非探入而獲得的患者具體解剖結(jié)構(gòu)的VC顯示避免諸如穿孔、感染、出血等有關(guān)真實(shí)內(nèi)窺鏡檢查的危險(xiǎn)，并且在進(jìn)行實(shí)際內(nèi)窺鏡檢查之前為內(nèi)診專家提供重要信息。這種理解可使程序困難最小、降低患者發(fā)病率、提高治愈和促進(jìn)對治療效果更好的理解。
在虛擬結(jié)腸鏡檢查中，例如通過體繪制從兩維(2D)計(jì)算機(jī)斷層識(shí)別技術(shù)(CT)或者磁力共振(MR)數(shù)據(jù)中產(chǎn)生3D圖像。
產(chǎn)生這些3D圖像，以用于仿真來自實(shí)際內(nèi)窺鏡、例如纖維光內(nèi)窺鏡的圖像。這表明必須在器官的內(nèi)腔或者其他人體組織內(nèi)選擇虛擬內(nèi)窺鏡的觀察點(diǎn)，并且具有寬視角，典型地大約100弧度。該觀察點(diǎn)必須沿內(nèi)腔的內(nèi)部移動(dòng)，這意味著必須采用3D平移和3D旋轉(zhuǎn)。交互地控制這些參數(shù)是一個(gè)挑戰(zhàn)。
用于導(dǎo)航虛擬內(nèi)窺鏡的觀察點(diǎn)通常所使用的技術(shù)是預(yù)先計(jì)算“飛行路徑”，并自動(dòng)地沿該路徑移動(dòng)虛擬結(jié)腸鏡的觀察點(diǎn)。然而，該技術(shù)要求分割和軌道計(jì)算步驟，而這耗費(fèi)時(shí)間并可能會(huì)失敗。
申請人于2002年12月18日提交的在先專利申請No.10/322,326，其標(biāo)題是AUTOMATCI NAVIGATION FOR VIRTUAL ENDOSCOPY，其中這里結(jié)合參考其公開，并不導(dǎo)致與本申請矛盾，其公開了優(yōu)先使用最長觀察光線而在結(jié)腸數(shù)據(jù)集內(nèi)導(dǎo)航的系統(tǒng)和方法，上述在先專利申請說明了用于在所提供的虛擬結(jié)腸鏡中自動(dòng)地導(dǎo)航內(nèi)窺鏡的觀察點(diǎn)的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)自動(dòng)地確定虛擬結(jié)腸鏡的方向和位置。從而，用戶需要控制僅僅一個(gè)參數(shù)-向前或者向后的速度，并且該方法允許在沒有諸如分割和路徑產(chǎn)生等預(yù)處理的情況下直接交互地在器官內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)航。在所述申請中說明的方法包括以下步驟a)確定虛擬內(nèi)窺鏡的初始觀察點(diǎn)，該初始觀察點(diǎn)具有第一中心點(diǎn)和第一方向；b)確定從初始觀察點(diǎn)到內(nèi)腔的最長光線，該最長光線具有第一最長光線方向；c)在初始觀察點(diǎn)的第一方向和第一最長光線方向之間確定第二方向；d)旋轉(zhuǎn)觀察點(diǎn)到第二方向并且按初始觀察點(diǎn)的第一方向?qū)⒊跏加^察點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)預(yù)定的距離；e)計(jì)算觀察點(diǎn)的第二中心點(diǎn)；f)移動(dòng)觀察點(diǎn)到第二中心點(diǎn)；并且重復(fù)步驟b)到f)，直到觀察點(diǎn)到達(dá)期望的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，這里承認(rèn)，在某些情況下，對于操作上述在先專利申請(Attorney Docket No.2001P24461US)中公開的系統(tǒng)，可能陷入突彎，或者深吸器的折彎處，如可能發(fā)生在虛擬結(jié)腸鏡檢查中。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了用于在組織的內(nèi)腔中導(dǎo)航虛擬結(jié)腸鏡的觀察點(diǎn)的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于自動(dòng)路徑規(guī)劃的方法包括以下步驟確定圍繞當(dāng)前結(jié)腸鏡位置的子體積；從結(jié)腸鏡位置開始，在內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長；計(jì)算該生長區(qū)域與用于外接感興趣區(qū)域的立方體的6個(gè)面的交集并且對其進(jìn)行組群；計(jì)算從內(nèi)窺鏡位置到每個(gè)群的中心的近似中心線；將每條路徑與內(nèi)窺鏡的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較；和找到最佳得分。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的方法包括步驟導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集，以用于后續(xù)步驟；在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積；從當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長；計(jì)算該區(qū)域與外接子體積的立方體面的交集并對其進(jìn)行組群；計(jì)算從當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑；將每條中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較；將基于所述比較的得分分配給每條中心線路徑；和基于所述得分選擇中心線路徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集的所述步驟包括通過計(jì)算機(jī)斷層識(shí)別技術(shù)(CT)導(dǎo)出所述數(shù)據(jù)集。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集的所述步驟包括通過磁力共振(MR)導(dǎo)出所述數(shù)據(jù)集。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于虛擬內(nèi)窺鏡自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的方法包括確定具有圍繞所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡的給定數(shù)目的體素的所述立方體的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，計(jì)算近似中心線路徑的步驟包括計(jì)算初始路徑；和對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑的步驟包括采用高斯平滑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑的步驟包括將球體設(shè)置在頂點(diǎn)位置；增加所述球體的尺寸直到它與所述內(nèi)腔的壁發(fā)生碰撞；從所述碰撞計(jì)算平移力；應(yīng)用所述平移力，直到所述球體不再處于碰撞中；增加所述球體的尺寸，并且它再次與所述壁發(fā)生碰撞；計(jì)算另一平移力；應(yīng)用所述另一平移力，直到所述球體不再處于碰撞中；重復(fù)上述三個(gè)步驟，直到所述球體到達(dá)它在不發(fā)生碰撞的情況下不能在生長的最終位置；將所述最終位置表示為最終頂點(diǎn)位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的方法，包括步驟導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集，以用于后續(xù)步驟；在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積；從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔內(nèi)進(jìn)行區(qū)域生長；計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群；通過以下方式計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑計(jì)算初始路徑；對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑；將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較；將基于所述比較的得分分配給每條所述中心線路徑；和基于所述得分選擇中心線路徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的方法，包括步驟在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積；從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長；計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群；計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑；將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較；和基于所述比較選擇最佳中心線路徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的系統(tǒng)包括用于在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積的裝置；用于從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長的裝置；用于計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群的裝置；用于計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑的裝置；用于將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較的裝置；和用于基于所述比較選擇最佳中心線路徑的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的系統(tǒng)包括用于導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集，以用于后續(xù)步驟的裝置；用于在內(nèi)腔中圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置定義子體積的裝置；用于從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長的裝置；用于計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群的裝置；用于計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑的裝置；用于將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較的裝置；用于將基于所述比較的得分分配給每條所述中心線路徑的裝置；和用于基于所述得分選擇中心線路徑的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑的所述裝置包括裝置，以用于將球體設(shè)置在頂點(diǎn)位置；增加所述球體的尺寸直到它與所述內(nèi)腔的壁發(fā)生碰撞；從所述碰撞計(jì)算平移力；應(yīng)用所述平移力，直到所述球體不再處于碰撞中；增加所述球體的尺寸，并且它再次與所述壁發(fā)生碰撞；計(jì)算另一平移力；應(yīng)用所述另一平移力，直到所述球體不再處于碰撞中；重復(fù)上述三個(gè)步驟，直到所述球體到達(dá)它在不發(fā)生碰撞的情況下不能再生長的最終位置；將所述最終位置表示為最終頂點(diǎn)位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的方法包括步驟在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積；從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長；計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群；計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑；將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較；和基于比較選擇最佳中心線路徑。


從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，將更全面地理解本發(fā)明的這些和其他方面，其中圖1概括地示出有助于更全面地理解本發(fā)明的典型情況，其中內(nèi)窺鏡的行程陷入突彎處；圖2和圖3示出涉及可應(yīng)用于本發(fā)明的實(shí)施方案時(shí)的中心線提取的體素路徑；和圖4示出可應(yīng)用于本發(fā)明的實(shí)施方案時(shí)的中心定位的步驟。
具體實(shí)施例方式
可以理解的是，利用可編程數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，并且這里所述的操作與這種實(shí)現(xiàn)有關(guān)。在成像的關(guān)系中，諸如“空氣”、“內(nèi)腔”等術(shù)語典型地指這些特性的相應(yīng)成像。
如上所述，在某些情況下，對于現(xiàn)有技術(shù)的虛擬結(jié)腸鏡檢查系統(tǒng)的操作可能陷入突彎或深吸器折疊處，如可能發(fā)生在虛擬結(jié)腸鏡檢查時(shí)。圖1示出內(nèi)窺鏡陷入突彎時(shí)的典型情況。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，從內(nèi)窺鏡位置開始的區(qū)域生長以三個(gè)群c0、c1和c2與立方體相交。系統(tǒng)計(jì)算從內(nèi)窺鏡到每個(gè)群中心的新中心線，并且將每條路徑與內(nèi)窺鏡的路徑進(jìn)行比較。計(jì)算反映用新路徑掩蓋路徑的得分。具有最高得分的路徑最可能是在結(jié)腸方向中延伸的那條。如果只有一群，那么系統(tǒng)判定有一個(gè)阻塞，并且已到達(dá)終端。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，自動(dòng)路徑規(guī)劃的方法包括以下步驟首先，確定圍繞目前內(nèi)窺鏡位置的子體積。隨后，執(zhí)行在內(nèi)腔中從內(nèi)窺鏡位置開始進(jìn)行區(qū)域生長。再后，計(jì)算該區(qū)域與外接感興趣區(qū)域的立方體6個(gè)面的交集并對其進(jìn)行組群。然后，計(jì)算從內(nèi)窺鏡位置到每個(gè)群中心的近似中心線。將每條路徑與內(nèi)窺鏡的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較，并找到最好的得分。
可以以任意不同的方式進(jìn)行計(jì)算近似中心線的步驟。許多中心線算法采用細(xì)化、形態(tài)學(xué)算子、距離變換、最小成本路徑、Dijkstra算法等等。在下列文獻(xiàn)中可以找到背景資料，例如周等人的″Three-Dimensional Skeleton and CenterlineGeneration Based on an Approximate Minimum Distance Field″The Visual Computer，14303-314(1998)；R.Truyen，T.Deschamps，L.D.Cohen的″Clinical evaluation of anautomatic path tracker for virtual colonoscopy，Medical ImageComputing and Computer-Assisted Intervention(MICCAI)″，烏得勒支，荷蘭，2001.10；陳等人的″A Fast Algorithm to GenerateCenterline for Virtual Colonoscopy″，SPIE Conference，2000.2.12-18；Richard Robb的″Virtual(Computer)EndoscopyDevelopment and Evaluation Using the Visible Human Datasets″，1996年10月7-8日，www.mayo.edu；美國專利6,514,082標(biāo)題為″System and method for perfoming a three-dimensionalexamination with collapse correction″.
實(shí)現(xiàn)結(jié)腸分割的另一方式包括進(jìn)行起點(diǎn)和終點(diǎn)計(jì)算，以及進(jìn)行初始路徑計(jì)算，如在Geiger等人的上述臨時(shí)專利申請No.60/470,579中所述的那樣。隨后對路徑進(jìn)行中心定位和平滑。這典型地從使用典型包括腸道準(zhǔn)備和注氣的結(jié)腸鏡檢查工作程序中所獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集開始。通過應(yīng)用空氣極限和進(jìn)行相關(guān)成分的分析對數(shù)據(jù)集進(jìn)行分割，其中或者自動(dòng)或者手動(dòng)選擇地去除不屬于結(jié)腸的所述相關(guān)成分。從屬于結(jié)腸的第一體素開始，典型地采用連續(xù)編號的方式進(jìn)行體素的距離標(biāo)記，第一體素標(biāo)簽為0，其相鄰的標(biāo)簽為1，它們鄰居的標(biāo)簽為2等等。搜索最高標(biāo)簽，得到起始點(diǎn)p0。從p0開始，通過重復(fù)距離標(biāo)記的前述步驟并且獲得具有最高數(shù)字的另一體素來產(chǎn)生新的距離標(biāo)簽圖。這就是終點(diǎn)p1。
從p1開始，使用距離標(biāo)簽來獲得以p0為終點(diǎn)的相關(guān)體素的路徑。這通過在p2的鄰居中搜索具有較小標(biāo)簽的體素來進(jìn)行，持續(xù)直到到達(dá)p0。參見示出初始體素路徑的圖2a和圖3a。通常結(jié)果路徑參差不齊，并且通過使用已知技術(shù)進(jìn)行平滑，例如高斯平滑。任一頂點(diǎn)都由它的n個(gè)鄰居的加權(quán)平均值取代，并且多次迭代地重復(fù)該過程。通過檢驗(yàn)新坐標(biāo)是否還位于被分割的結(jié)腸內(nèi)來檢測任一新的頂點(diǎn)位置與結(jié)腸壁碰撞情況。在相碰的情況下，頂點(diǎn)停留在上次無相碰的位置。在某種意義上，該過程可以比作自由延伸的無重量的線通過結(jié)腸的路徑。參見示出初始平滑步驟的圖2b和圖3b。圖2(c)和3(c)示出最終的中心定位。
根據(jù)所述實(shí)施方案，利用具有尺寸漸增的球體對該平滑路徑進(jìn)行中心定位。參見圖4。對小球體在沿路徑的一個(gè)頂點(diǎn)處確定中心。檢查該球體的至高點(diǎn)與結(jié)腸壁碰撞情況。如果至高點(diǎn)在碰撞之內(nèi)，那么基于球體的法線定義一種力。利用該力使球體離開壁。迫使球體移動(dòng)到垂直于該路徑的一個(gè)平面上。如果球體不再處于碰撞之內(nèi)，那么增加球體的尺寸，并且重復(fù)碰撞計(jì)算和移動(dòng)，當(dāng)在不產(chǎn)生碰撞情況下，當(dāng)不能再移動(dòng)球體和/或不能增加球體的尺寸，那么停止該過程?，F(xiàn)在，球體的中心被看作頂點(diǎn)的新位置。對軌道或者路徑的下一頂點(diǎn)重復(fù)該過程。參見圖1c。在以下公開中給出了碰撞檢測技術(shù)和平移力計(jì)算的描述，即Geiger，B.的“Real-Time Collision detection andResponse for Complex Environments，”Computer GraphicsInternational 2000；2000.6.19-23；日內(nèi)瓦，瑞士。雖然通常遵循Geiger的上述文獻(xiàn)描述的思想，但是這里直接在體素上，而不是在多面體重構(gòu)中進(jìn)行碰撞檢測和力的計(jì)算。隨后，并在中心定位之后，利用碰撞控制對路徑進(jìn)行另一高斯平滑，這次采用少數(shù)迭代以及少量鄰居。
圖4示出中心定位步驟的概括的工作程序?qū)⑶蝮w放置在頂點(diǎn)位置(a)；增加球體的尺寸，直到它與壁碰撞。從碰撞，計(jì)算平移力(b)。進(jìn)行平移直到球體不再發(fā)生碰撞(c)。再次增加球體的尺寸，并且它現(xiàn)在與壁碰撞。計(jì)算平移(d)。平移之后，球體到達(dá)不能再繼續(xù)生長的一個(gè)位置。這代表最后頂點(diǎn)位置(c)。
根據(jù)本發(fā)明原理并且不使用這種形態(tài)學(xué)算子的優(yōu)選方式在某些情況下更快捷。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案，用于虛擬結(jié)腸鏡檢查的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃方法包括以下步驟。
進(jìn)行自動(dòng)分割，其中所述自動(dòng)分割切除體素中心定位在內(nèi)窺鏡的位置的一塊選擇的立方體(例如128×128×128)。作為一顆種子，從包含內(nèi)窺鏡的體素開始，在空氣內(nèi)部進(jìn)行區(qū)域生長。對包括空氣并且屬于相同內(nèi)腔的所有體素進(jìn)行標(biāo)記。氣柱在不同位置與立方體相交。對這些位置進(jìn)行組群，其中共享面的體素被加到相同的群，并且通過平均每群體素的體素坐標(biāo)來計(jì)算每群的中心。從每群中心到內(nèi)窺鏡位置來計(jì)算中心線。將每條中心線與內(nèi)窺鏡的路徑進(jìn)行比較。從內(nèi)窺鏡位置開始，將中心線上點(diǎn)的差的絕對值加到內(nèi)窺鏡路徑上的相應(yīng)點(diǎn)。該和除以長度，得到得分。得分越高，中心線距新路徑的距離越大。具有最高得分的路徑是要遵循的最好候選。如果只有一條路徑，那么它極可能是內(nèi)窺鏡移入的那條，并且系統(tǒng)知道這是終端。
可以理解的是，主要在最有用的虛擬結(jié)腸鏡檢查的上下文中描述的本發(fā)明仍然也適用于各種其他虛擬內(nèi)窺鏡類型的檢查。雖然通過實(shí)施例的方式描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員也要理解的是，它涉及不偏離通過下列權(quán)利要求限定的本發(fā)明精神而可以進(jìn)行的各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的方法，包括步驟導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集，以用于后續(xù)步驟；在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積；從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長；計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群；計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑；將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較；將基于所述比較的得分分配給每條所述中心線路徑；和基于所述得分選擇中心線路徑。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集的所述步驟包括通過計(jì)算機(jī)斷層識(shí)別技術(shù)(CT)導(dǎo)出所述數(shù)據(jù)集。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集的所述步驟包括通過磁力共振(MR)導(dǎo)出所述數(shù)據(jù)集。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，包括步驟確定所述立方體具有圍繞所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡的給定數(shù)目的體素。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，包括步驟在所述內(nèi)腔內(nèi)部的“空氣”內(nèi)進(jìn)行區(qū)域生長；和在所述內(nèi)腔內(nèi)的所述空氣中標(biāo)記所有體素。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，包括步驟在所述內(nèi)腔內(nèi)部的所述空氣與所述立方體的相應(yīng)面相交的每個(gè)位置處形成一個(gè)群；在每個(gè)所述群中包括共享對應(yīng)于所述群的面的體素。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，包括步驟通過平均每個(gè)所述群的體素的體素坐標(biāo)計(jì)算每個(gè)群的中心。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，包括步驟計(jì)算從每群的所述中心到所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的各個(gè)中心線路徑。
9.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中將基于所述比較的得分分配給每條所述中心線路徑的步驟包括從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，形成各個(gè)中心線路徑上的點(diǎn)的差的絕對值與所述內(nèi)窺鏡顯示的所述當(dāng)前路徑上的相應(yīng)點(diǎn)的和；所述和除以所述各個(gè)中心線路徑的長度，以形成商得分；和選擇具有最高商得分的路徑。
10.按照權(quán)利要求9所述的方法，包括步驟檢測何時(shí)只存在一條中心線路徑，并表明這種結(jié)果為終端。
11.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中計(jì)算近似中心線路徑的所述步驟包括計(jì)算初始路徑；和對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑。
12.按照權(quán)利要求11所述的方法，其中計(jì)算初始路徑的所述步驟包括從所述終點(diǎn)開始，利用遞減的標(biāo)簽數(shù)字連續(xù)地存儲(chǔ)體素，直到達(dá)到所述起點(diǎn)。
13.按照權(quán)利要求11所述的方法，其中對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑的所述步驟包括采用高斯平滑。
14.按照權(quán)利要求13所述的方法，其中對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑的所述步驟包括將球體設(shè)置在頂點(diǎn)位置；增加所述球體的尺寸直到它與所述內(nèi)腔的壁發(fā)生碰撞；從所述碰撞計(jì)算平移力；應(yīng)用所述平移力，直到所述球體不再處于碰撞中；增加所述球體的尺寸，并且它再次與所述壁發(fā)生碰撞；計(jì)算另一平移力；應(yīng)用所述另一平移力，直到所述球體不再處于碰撞中；重復(fù)上述三個(gè)步驟，直到所述球體到達(dá)它在不發(fā)生碰撞的情況下不能再生長的最終位置；將所述最終位置表示為最終頂點(diǎn)位置。
15.用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的方法，包括步驟導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集，以用于后續(xù)步驟；在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積；從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔內(nèi)進(jìn)行區(qū)域生長；計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群；通過以下方式計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑計(jì)算初始路徑；對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑；將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較；將基于所述比較的得分分配給每條所述中心線路徑；和基于所述得分選擇中心線路徑。
16.按照權(quán)利要求15所述的方法，其中導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集的所述步驟包括通過計(jì)算機(jī)斷層識(shí)別技術(shù)(CT)導(dǎo)出所述數(shù)據(jù)集。
17.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集的所述步驟包括通過磁力共振(MR)導(dǎo)出所述數(shù)據(jù)集。
18.用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的方法，包括步驟在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積；從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長；計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群；計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑；將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較；和基于所述比較選擇最佳中心線路徑。
19.用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的的系統(tǒng)，包括用于在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積的裝置；用于從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長的裝置；用于計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群的裝置；用于計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑的裝置；用于將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較的裝置；和用于基于所述比較選擇最佳中心線路徑的裝置。
20.用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的系統(tǒng)，包括用于導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集，以用于后續(xù)步驟的裝置；用于在內(nèi)腔中圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置定義子體積的裝置；用于從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長的裝置；用于計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群的裝置；用于計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑的裝置；用于將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較的裝置；用于將基于所述比較的得分分配給每條所述中心線路徑的裝置；和用于基于所述得分選擇中心線路徑的裝置。
21.按照權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中用于導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集的所述裝置包括用于通過計(jì)算機(jī)斷層識(shí)別技術(shù)(CT)導(dǎo)出所述數(shù)據(jù)集的裝置。
22.按照權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中用于導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集的所述裝置包括用于通過磁力共振(MR)導(dǎo)出所述數(shù)據(jù)集的裝置。
23.按照權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，包括用于確定所述立方體具有圍繞所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡的給定數(shù)目的體素的裝置。
24.按照權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，包括裝置用于在所述內(nèi)腔內(nèi)部的“空氣”內(nèi)進(jìn)行區(qū)域生長；和在所述內(nèi)腔內(nèi)的所述空氣中標(biāo)記所有體素。
25.按照權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，包括裝置用于在所述內(nèi)腔內(nèi)部的所述空氣與所述立方體的相應(yīng)面相交的每個(gè)位置處形成一個(gè)群；在每個(gè)所述群中包括共享對應(yīng)于所述群的面的體素。
26.按照權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，包括裝置用于通過平均每個(gè)所述群的體素的體素坐標(biāo)計(jì)算每個(gè)群的中心。
27.按照權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，包括裝置用于計(jì)算從每群的所述中心到所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的各個(gè)中心線路徑。
28.按照權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中用于將基于所述比較的得分分配給每條所述中心線路徑的所述裝置包括裝置用于從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，形成各個(gè)中心線路徑上的點(diǎn)的差的絕對值與所述內(nèi)窺鏡顯示的所述當(dāng)前路徑上的相應(yīng)點(diǎn)的和；所述和除以所述各個(gè)中心線路徑的長度，以形成商得分；和選擇具有最高商得分的路徑。
29.按照權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，包括用于檢測何時(shí)只存在一條中心線路徑并表明這種結(jié)果為終端的裝置。
30.按照權(quán)利要求20所述的方法，其中用于計(jì)算近似中心線路徑的所述裝置包括裝置用于計(jì)算初始路徑；和對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑。
31.按照權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中用于計(jì)算初始路徑的所述裝置包括裝置用于從所述終點(diǎn)開始，利用遞減的標(biāo)簽數(shù)字連續(xù)地存儲(chǔ)體素，直到達(dá)到所述起點(diǎn)。
32.按照權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中用于對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑的所述裝置包括用于采用高斯平滑的裝置。
33.按照權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中用于對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑的所述裝置包括裝置用于將球體設(shè)置在頂點(diǎn)位置；增加所述球體的尺寸直到它與所述內(nèi)腔的壁發(fā)生碰撞；從所述碰撞計(jì)算平移力；應(yīng)用所述平移力，直到所述球體不再處于碰撞中；增加所述球體的尺寸，并且它再次與所述壁發(fā)生碰撞；計(jì)算另一平移力；應(yīng)用所述另一平移力，直到所述球體不再處于碰撞中；重復(fù)上述三個(gè)步驟，直到所述球體到達(dá)它在不發(fā)生碰撞的情況下不能再生長的最終位置；將所述最終位置表示為最終頂點(diǎn)位置。
34.用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的系統(tǒng)，包括裝置用于導(dǎo)出通過結(jié)腸鏡檢查工作程序獲得的結(jié)腸數(shù)據(jù)集，以用于后續(xù)步驟的裝置；在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積；從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔內(nèi)進(jìn)行區(qū)域生長；計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群；通過以下方式計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑計(jì)算初始路徑；對所述初始路徑進(jìn)行中心定位和平滑；將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較；將基于所述比較的得分分配給每條所述中心線路徑；和基于所述得分選擇中心線路徑。
35.用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的系統(tǒng)，包括用于在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積的裝置；用于從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔內(nèi)進(jìn)行區(qū)域生長的裝置；用于計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群的裝置；用于計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑的裝置用于將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較的裝置；和用于基于所述比較選擇最佳中心線路徑的裝置。
36.用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的系統(tǒng)，包括用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的的系統(tǒng)，包括用于在內(nèi)腔中確定圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置的子體積的裝置；用于從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔內(nèi)進(jìn)行區(qū)域生長的裝置；用于計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集，并對其進(jìn)行組群的裝置；用于計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑的裝置用于將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較的裝置；和用于基于所述比較選擇最佳中心線路徑的裝置。
全文摘要
用于虛擬內(nèi)窺鏡的自動(dòng)局部路徑規(guī)劃的方法，包括以下步驟在內(nèi)腔中圍繞當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置定義子體積；從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置開始，在所述內(nèi)腔中進(jìn)行區(qū)域生長；計(jì)算所述區(qū)域與外接所述子體積的立方體面的交集并對其進(jìn)行組群；計(jì)算從所述當(dāng)前內(nèi)窺鏡位置到前述步驟中形成的每群中心的近似中心線路徑；將每條所述中心線路徑與所述內(nèi)窺鏡顯示的當(dāng)前路徑進(jìn)行比較；和基于所述比較選擇最佳中心線路徑。
文檔編號G06T5/30GK1745396SQ200480003175
公開日2006年3月8日 申請日期2004年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月30日
發(fā)明者B·蓋格 申請人:西門子共同研究公司