[发明专利]一种引导式虚拟内窥镜导航方法

权利要求书

1.一种引导式虚拟内窥镜导航方法，其特征在于：将断层图像分割成被测腔体体素和背景体素，用快速3D距离变换计算每个被测腔体体素到最近背景体素的距离；随后利用距离梯度方向和距离值引入虚拟拉力，进行导航方向的校正，修正虚拟摄像机当前的运动方向，使得摄像机尽量远离被测腔体内壁，从而使摄像机接近中心线。

2.根据权利要求1所述的引导式虚拟内窥镜导航方法，其特征在于：在校正导航方向的过程中，为实现自动导航和获得光滑的导航路径，预先计算导航轨迹控制点，边计算边前进。

3.根据权利要求2所述的引导式虚拟内窥镜导航方法，其特征在于：采用分段三次Bezier曲线拼接方式，生成具有至少C¹连续的光滑导航轨迹。

4.根据权利要求3所述的引导式虚拟内窥镜导航方法，其特征在于：预先计算后2个单位时刻的2点坐标，将坐标集合分组构成一段光滑Bezier曲线段，在实现一小段组内平滑后，实时更新分组进行组间平滑，最后插值补点令路径具有至少C¹连续。

5.根据权利要求1所述的引导式虚拟内窥镜导航方法，其特征在于：

设被测腔体体素集合为F，背景集合为B，采用快速3D距离变换，计算每个体素v(x,y,z)到背景体素B的最近距离：

当时，；

然后，计算每个体素的3D距离梯度：

(2)

根据距离值D及距离梯度方向G，修正虚拟摄像机当前的运动方向V，使得虚拟摄像机朝着距离最大方向运动；首先计算当前位置P₀处的距离梯度方向G，并把当前的运动方向V投影到当前切平面，得到归一化的切线方向T；最后，根据该归一化的切线方向T，采用公式(3)修正摄像机的运动方向，从而得到修正后的虚拟摄像机运动方向V’：

(3)

(4)

其中，权重，公式(4)是对修正后的运动方向向量归一化；系数函数f(D)是单调递增函数，即，同时要求；

其中，f(D)定义如下基于高斯的单调递增函数：

(5)

。

6.根据权利要求5所述的引导式虚拟内窥镜导航方法，其特征在于：导航轨迹控制点计算方法为：

假设已经计算得到虚拟摄像机的第i个导航轨迹控制点P_i，则根据修正后的运动方向V’，在第i个控制点P_i的基础上前进一个步长，我们得到第i+1个导航轨迹控制点P_i+1：

(6)

其中，c为生成导航轨迹控制点的步长。

7.根据权利要求6所述的引导式虚拟内窥镜导航方法，其特征在于：在任意2个相邻的导航轨迹控制点(P_i和P_i+1)，插值得到一段具有至少C¹连续的三次Bezier曲线；该曲线中间部分具有C²连续，导航轨迹控制点两端处确保C¹连续。

8.根据权利要求7所述的引导式虚拟内窥镜导航方法，其特征在于：

三次Bezier曲线至少需要4个导航轨迹控制点，导航控制点(P_i和P_i+1)直接作为该段Bezier曲线的控制点Q₀和Q₃，Bezier曲线中间的控制点(Q₁和Q₂)，则根据相邻的前后2段Beizer曲线C¹连续的边界条件，根据空间解析几何计算得到；

在第i和i+1个控制点(P_i和P_i+1)之间，采用如下方式，计算得到全部Beizer曲线的导航轨迹控制点：

(7)

得到这段Bezier曲线全部的导航轨迹控制点(Q₀,Q₁,Q₂,Q₃)后，根据Bezier曲线参数t,，可以计算该光滑Bezier曲线上的任意点坐标：

(8)

。