[发明专利]虚拟内空腔检视系统

说明书

本发明涉及固体内部通道的可视化，尤其是涉及从图象数据非注入式地模拟通道内部的景象。

本申请书与Jonathan A，Zarge及William J.Schroeder提出的1992年1月2日提交的序号为No.07/815,772的美国专利申请“减轻多边形网复杂性的方法”及William E.Lorensen提出的1993年10月8日提交的序号为No.08/144,270的美国专利申请“利用布尔组织的几何裁剪”(“组织绘图”)有关，并均转让给本受让人。

有时需要获得从穿过固体受验者的通道内部的视点出发观看到的通道景象。当这个受验者是病人时，就需要观察结肠、肠子、支气管、动脉等的障碍物和结构。内窥镜是这样一种装置，它提供存在于人体内部的中空器官或空腔内部的高分辨率的实时景象。虽然内窥镜检验大部分是非注入式的，但为了减轻病人不适，还是要求服用某些镇静剂或麻醉剂。

类似于内窥镜的内部检视装置可以用于非医疗装置来检视固体结构内部的通道。其中某些是不允许进行内部检视的，因为通道或空腔可能没有通向外界的开口，或者虽有连续的开口通向外界，但却并不大得足以接纳内部检视装置。

内部检视装置的另一个问题是视野仅限于通道内部细小的区域。确定受验者中的精确位置，以便把内部成象装置得到的图像与受验者总体结构联系起来是极其困难的。

为了确定在受验者内部的位置，采用层面X射线照相术(CT)和磁谐振成象术(MRI)来显示受验者的内部解剖。这些方法都是非破坏性的或非注入式的成象技术。使用这些方法来补充内部成象装置的图像，以便把检视的图像与受验者内部的位置联系起来。

在医疗装置中，典型的做法是辐射检验师检视二维断面，并在内心里构造一个三维结构图像，试图把通道内部的图像与受验者内的三维位置联系起来。但当受验者具有复杂的内部结构时，例如在体内呈管状结构并反复地向前向后地穿过截面。

现在需要一种非注入式地显示固体内部通道的图像，而同时呈现所得图像在受验者中的位置。

本发明的一个目的是提供一种显示系统，它非注入式地显示受验者内部空腔的图像，而同时又提供一个标明内部图像的视点在整个受验者中的位置的图像。

本发明的另一个目的是提供一种系统，它使操作者能够检视受验者中的不具有通向外界的开口的空腔的结构和表面。

本发明提供了一种通过获取受验者内部结构的图像信息和建立这些图像信息的三维表面模型实现的模拟内窥镜的方法，包括以下步骤：

a)选择内空腔中的起始视点；

b)选择内空腔中的目标视点；

c)通过以下步骤计算连接起始视点和目标点的绕过障碍物的视点路径：

i.计算波前行进时从表面模型的每一个体象元绕过障碍物到目标点的距离；

ii.以每一个体象元算出的距离来标记该体象元；

iii.把含有起点的体象元设置成当前体象元；

iv.把当前体象元加入视点路径；

v.确定与具有最低标记距离值的当前体象元相邻的体象元；

vi.把具有最低标记距离值的体象元设置为当前体象元；和

vii.重复步骤iv到vi，直至达到一个含有目标点的体象元；

d)建立众多的具有在视点路径上的视点的内部图像；

e)沿着视点路径位置依次显示这些图像，从而模拟内窥镜。

本发明还提供了一种检视受验者的内部空腔的虚拟检视系统，具有一个用来存储图像信息的存储器和与该存储器耦合用来显示图像信息的三维模型显示装置，包括：

与操作者交互的图形界面，用以确定内空腔中的起始视点和目标视点；

耦合到该存储器的航行体积计算单元，用来计算波前行进时从每个体象元穿过该空腔绕过障碍物到目标视点的距离，并建立一个具有各标以其相应的距离的体象元的航行空间；

耦合到该存储器的路径计算单元，用来计算视点路径上从起始视点到目标视点的绕过障碍物的最短距离，并将此路径存入该存储器，使三维模型显示装置可以建立一系列图像，就象沿着这条算出的视点路径的点看到的一样。

本发明两种类型的检视图都提供：内部“虚拟内窥镜”检视图和说明内窥镜当时位置的总体检视图。

本发明产生的内部景象模拟用诸如内窥镜一类空腔检视装置所获得的景象类型。与真实的内窥镜景象相比，本发明有下列优点：

1.对所有的虚拟摄像机参数，包括视场进行交互控制；

2.能够穿过器官壁来检视相邻的解剖物；

3.可以对空腔内部图像的视点进行三维定位；