虚拟内窥镜的发展和应用

， i }。一 _。 虚拟内窥镜的发展和应用 刘聚卑 综述 庄天戈 审 _ - _ ’ ’ - 一 上海交通大学生物医学工程研究所 (200030) rt J,8、[， 77(， ／ 摘要 虚拟内窥镜是一种新的非侵入性诊断方法，它使用计算机处理 CT和 MRI等 三维医学图像，生成人体 内部特定解剖结构的三维动态视图，以模拟内窥镜的检 查过程和视觉效果。它具有非侵入性、重复使用、动态病理分析、无检查死区等独特优 点 ，具有广泛 的应 用前景 ．为此许 多 国家和研 究机 构都 投入 了大量的人 力物力进行研 究 关键词 内窥镜 虚拟 内窥镜 虚拟仪器 三维成像 ，—～ ———一 一 一 ’ 1 引 言 随着计算机技术、图像处理技术 、三维医 学成像技术 、虚拟现实技术等现代信息技术 的发展 ．出现 了一种新兴的三维可视化工具 — — 虚拟内窥镜 (Virtual Endoscopy) 虚拟 内 窥镜 由计 算机 生成 的 基 于 CT 和 MRI图像的人体解剖结构的三维视图组成。 计算机显示连续的三维器官内腔结构视图， 使用者可以沿这个虚拟的内部空腔做飞行观 察，模拟传统的内窥检查过程，所看到的景象 就象用视频内窥镜观察到的一样 ，甚至还可 以显示解剖结构的三维外观图像以及各个方 位的 CT和 MRI切片图像。 虚拟内窥镜用虚拟现实显示 系统来实 现，可以让压生一边观察解剖结构一边逼真 地操纵观察方 向，还提供 了光学内窥镜所不 具备的如视向、视角、视野 、转换、照明、测量 等观察、控制和选择功能。其视觉反馈定位和 导航系统确定操作者相对于实际解剖结构的 距离和方向。此外，还可以把虚拟视 图与光学 内窥镜图像及术后病理数据做 比较，验证虚 拟内窥镜的检查效果 。 与光学和视频 内窥镜检 查 (Optic En— doscopy and Vedio Endoscopy)不同的是 ，虚 拟内窥镜检查是非侵人性 的，不会给病人带 来不舒服感 ，也不会产生任何如穿孔、感染和 出血等副作用。此外，虚拟内窥镜能够对同一 个器官对象任意地进行重复检查 ．并且可 以 模拟检查光学内窥镜接触不到或不能检查的 人体 内部许多重要的系统如脑、脊椎管、内 耳、胆汁管、胰腺管、大血管等，从而极大地降 低了检查难度，减少了意外事故的发生，对实 习医生尤其有用。 2 虚拟 内窥镜的实现方法 虚拟内窥镜的一 种实现程 序如 图 1所 示 ]。首先用图像扫描器(CT、MRI等)获 得三维医学图像 然后对这些图像进行必要 的预处理，如插值变换、图像配准、图像分割 等 。最后把分割出来的对象组合成为 3D实 体，建立相应的 3D模型，用面或体积显示 方法显示在屏幕上。使用者预览这些 3D图 像 ，进行取舍或改进，以求获得满意的显示模 型。这个过程往往要由放射学家、外科医生、 内窥镜医生等专家协助完成。 模拟内窥镜显示过程的方法有许多种， 具有代表性的三种是 ：1)使用交互式模拟器 ， 如高速高性能实时响应的虚拟现实显示系 统，进行在线实时显示；2)沿一个预定的飞行 路径，计算一系列的序列图像，用视频动画序 列的方式进行显示 ；3)光线投影法 ，它并不生 成显示模型 ，而是生成分割图像 ，用透视体积 · 32】· 朗 第 巷 弛 第 年 吩 册 升 程 工 学 ∽ 一 学 医 外 国¨ 维普资讯 http://www.cqvip.com 国外医学生物医学工程分册 1999年第 2z卷第 6期 显示的方式直接显示出来 。 光线投影法中，在一定的条件约束下 ．照 射光线以特定的透视几何形状从显示体积内 部发出来 ，穿过三维图像的体元时 ，生成许多 表面视图。通过适当地修改算法和透视显示 参数 ，所生成的虚拟表面视图就能够有效地 模拟那些用真内窥镜获取的图像 。透视体积 显示法保存了体积图像数据包含 的丰富的三 维信息，包括用表面模型是不可能获得 的深 图像 采 集 l 图像预处理 建 立 模 型 t 显 示 方 法 3 虚拟内窥镜的发展历程 层次的细微而重要的信息。但是 ，透视体积显 示法的计算量非常大．对计算机速度的要求 很高 即使 目前速度展快的现代化工作站也 很难傲到实时地(每秒 3O帧)显示大量的图 像 ；随着计算机技术的发展，这是一个可以解 决的问题。另外 ，依照预定的飞行路径和动画 效果生成 电影画面序列 ，就可以以视频帧速 进行观察。 口亟亟口 匝匝圃 {图像配准 琐定飞行路径卜— l桃颤动晤 一 围 l 一种虚拟内窥镜的实现示意图 虚拟内窥镜学的发展历史很简短 ]。有 关的研究早在 70年代初期就开始了，但是其 功能的实现却是最近几年的事情 ，在 医学成 像领域它是一种新兴的技术。虚拟内窥镜学 主要起源于数字医学成像特别是 3D CT和 3D MRI图像 的可视化 。 虚拟内窥镜的发展经历了几代。第一代 虚拟内窥镜生成解剖结构 的 3D几何形 状， 附加一些简单的交互式操作，能够识别粗糙 的解剖结构，生成简单的飞行效果 ，产生比较 拙劣的动画效果。随着计算机性能的提高 ，虚 拟内窥镜发展到第二代，能够产生更逼真的 图像，显示组织的某些物理性能如伸缩、形变 等，交互式定位解剖结构能够对虚拟器官的 任何部位进行交互式模拟操作(变形、切、分 等)。第三代虚拟内窥镜是在第二代中组合几 种虚拟表示方法发展而成的，能逼真地模拟 许多诸如呼吸、流血、胆汁泄漏、尿漏、运动性 等生理性能。第三代虚拟内窥镜多数使用可 · 322 · 视化人数据或 CT、MRI及其它图像数据 ，这 些高分辨率的真实数据大大地增加了虚拟内 窥镜的真实性、视觉逼真性和临床实用性 ，因 为这种虚拟性是建立在真人解剖图之上的， 而不是建立在图形描绘和图形近似之上 的。 第四代虚拟内窥镜把显微级水平的细节信息 加入到解剖结构中，可以非常逼真地显示那 些微细结构如神经血管柬、腺体结构甚至单 个细胞。由显微图、组织图和粗糙解剖图合成 的第四代虚拟内窥镜图像证明了从宏观到微 观的无缝式组合人体结构和生理功能 的潜 力。第五代虚拟内窥镜将会包括复杂的由多 器官系统集成的能够描述系统功能的生物化 学参数 ，如神经功能、内分泌功能、免疫功能 或病理状态。随着第 四代 、第五代以及将来更 新一代虚拟内窥镜 的实现，虚拟表现将变得 更逼真更实用，那时 ，对虚拟病人的内窥镜检 查将变得同对实际病人的内窥镜检查没有多 大区别。虚拟内窥镜的最高目标是生成一个 物理 上、生理上、系统上都完 全逼真的虚拟 嚣 维普资讯 http://www.cqvip.com 国外医学生物医学工程分册 1 999年第 22卷第 6期 人 。 4 虚拟 内窥镜 的应用 目前，有关虚拟内窥镜的应用主要集中 在那些具有空腔的太器官上 ，如气管、支气 管、胰腺、胆汁管、尿道、脑脊椎系统、脊椎管、 大关节、上肠 胃区、结肠、血管、内耳和心脏 等。至今，虚拟 内窥镜仍处于初期临床试验阶 段。下面列举一些最近报道的虚拟内窥镜应 用系统 。 4．1 虚拟内窥镜医学应用系统(Virtual En— doscopy Medical Application／ 。] 美国 GE Research＆Development Ce n_ ter开 发 了一套 虚拟 内窥镜 医学应用系 统 (VEMA)。这个系统采用先进的分割、重建、 显示和 自动路径算法，使用器官 的 CT 或 MRI切片图像 ，生成器官的 3D 内表面模 型，模拟视频内窥镜的功能。VEMA支持多 视图技术如细节放大，同步显示器官内外 3D 视图，组合 2D图像和 3D表面视图，在人体 内部空腔管道中交互式移动或 自动航行 ，并 且 提供 了交互式解剖结构特征 测量工具。 VEMA可以应用于许多人体区域 虚拟结肠 镜检查、虚拟支气管镜 检查、虚拟血管检查 等。其目标器官的 CT和 MRI图像同周围组 织 的对 比度较好，为精确 自动分割创造 了条 件 ，从而达到精确诊断的目的 4．2 虚拟结肠 内窥镜 (Virtual Colonosco Py Imatron Inc采用虚拟人 (vHD)数 据、 模拟橡皮管、病人结肠 CT图像数据 ，使用先 进 的 3D体积可视化技术 ，对人体结肠的内 表面进行虚拟成像和检查。初步实现了两种 结肠内航行方式 ：预定路径结肠内航行和人 工定 向结肠内航行 。 4．3 虚拟耳窥镜(Virtual Otoscopy)D 美 国 Boston Surgical Planning Labora tory建立了一种虚拟耳窥镜系统 ，以三维形 式显示耳的解剖结构，来模拟传统内窥镜对 内耳 的检 查过程。首 先，对 耳朵 的 CT 和 MRI序列切片图像进行 自动或人工分割，分 离或勾勒出耳朵的颞骨、内耳球囊、小囊、内 耳道、内颈动脉、面部神经 、耳咽管等器官对 象}然后进行三维重建，把这些分割出来的器 官对象分别组台成一个个 3D整体对象 ，用 特殊算法融台成为一个完整的 3D耳模型， 显示在计算机屏幕上。 这套虚拟耳窥镜的突出优点是 ：能清晰 地显示耳遭管状结构，而不受耳道范围的限 制和手动操作的影响 ；能够深入耳道的深部， 观察耳道壁以外的区域 ；能够做 360度旋转 检查，定点缩放观察 ，显示相关定位的 CT 和 MRI切片图像 ；具有精确的定位能力 。从 而 使外科医生更好地对耳道进行模拟观察 ，学 习和 了解耳 遭 的解 剖结构 ，预 计耳道 手 术 区 域的情况，制定手术，在耳病的诊断和治 疗方面可以起到巨大的作用 。虚拟耳窥镜是 一 种很有前途的观察 中耳、内耳和颞骨结构 的可观化技术。 4．4 虚拟 食 管一支 气管 内窥 镜 (Vritual Tracheo—Bronchial Endoscopy)L 0 J 法 国 Laennec Hopital的 D．Buthiau研 究小组开发的这套虚拟系统，采用 喉部 CT 体积 图像重建高质量 的 3D视图，并且在视 图中提供解剖结构的三维提示功能 。从 1995 年到 1998年 ，他们对 89个肺癌病人进行 了 虚拟内窥镜检查和标准内窥镜检查的比较研 、 究。结果表明 ，这套系统能够准确地显示食管 一 支气管以及它们的外围组织的解剖结构 图 像 ，具有广泛的临床应用潜力 ：可以用来检查 那些用常规光学内窥镜观察不到的半末梢组 织损伤 ；追踪支气管癌的发展情况；预测、监 视和观察食管一支气管的病变 ；辅助进行支 气管治疗；术后跟踪观察伤 I：1缝合状况等。 4．5 虚拟 座舱式 内窥 镜 (Vitrual Cockpit EndOSCOPv)[1 ] 美 国 Stanford University Medical Cen— ter的 Department of Radiology开 发 了一套 ·323 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 国外医学生物医学工程分册 1999年第 22卷第 6期 多视图广角虚拟内窥镜系统 ：虚拟座舱(Vit ram Cockpit)。这套系统采用 了多视图显示 技术 ，建立一种模拟在内腔飞行的虚拟座舱， 解决了因照相机视场相对较小造成的视图变 形的闻题 。使用者可以做前后左右上下全方 位观察 。感兴趣的区域显示在视图中央或者 前方挡风玻璃上。在虚拟座舱中观察者可以 把视觉焦点移动到某个特定的区域，观察到 的表面图像不会发生扭曲变形现象。对人结 肠、主动脉、气道_白匀实验结果表明，VC实现 了器官的表面 180度视区无扭 曲变形观察 ， 提供了比传统内窥镜更现实的器官内表面视 图。 4．6 冠 状动 脉 虚 拟 内窥 镜 (Virtual En doscopy of the Coronary Arteries) J ]matron]nc．采用 Imatron图像处理工 作站实现冠状动脉内虚拟飞行 观察，模拟冠 状动脉内窥镜检查或心脏超声波检查 ，并且 能估算冠状动脉内腔横截面直径 5 虚 拟内窥镜 发展 中遇 到的问题 至今 ，虚拟内窥镜还远远达不到临床使 用要求，有许多技术尚待解决 I 6l，主要有： 1)3D 图像分辨率 ；2)精确表面显示 ；3)自动 图像分割；4)精确配准；5)图像预处理；6)效 果评估 。 现在的 3D CT和 3D MRI图像的分辨 能力已经 能够达到 5ram，有些 甚至达到了 2ram 和 ]mm精度。新一代 CT机能够达到 1ram分辨率 ，但是还没有投入 日常使用。 目 前的扫描分辨率只能够甄别某些细微的组织 损伤，但是要得到更广泛的应用 ，必须提高到 至少 ]mm的水平 。当扫描分辨率提高到了 亚毫米级水平的时候 ，虚拟 内窥镜的分辨能 力将会随之提高。 更高的 3D分辨率能够为虚拟内窥镜提 供所需要的解剖结构的细节信息。目前的虚 拟内窥镜 可以显示 出较大尺寸的畸形结构 (如息肉、癌、囊肿、红肿、溃疡、狭窄等)，但是 ·324· 还不能有教地显示那些需要用组织的细微变 化信息才能诊断出来的细微损伤(如发炎、表 面溃疡 等)，因为 CT或 MRI扫描不到这些 细微损伤信息。 图像分裁是获得单个器官对象的关键步 骤。精确的、可重复的和自动的图像分割是分 割的最高 目标。图像分割方式可以分为人工 分割或半 自动分割两种 。图像分割的最终 目 的是能够做到在获取图像的同时就进行 自动 分割。 同样 ，自动无框架图像 配准也是可视化 的一个重要环节。目前，要想准确地配准不同 成像模式(CT、MR]、Video)的图像必须使用 基准标记。相关的配准算法对静态图像能完 全成功，而对动态图像来说只局限于少数情 况。要做到在线动态地获取和融合具有变化 形状 和位置的活体器官和组织的图像，必须 开发功能更强大的算法。 图像预处理也非常重要 ，可 以消除一些 不利因素的影响。一些传统的预处理方法很 有教，但是仍然需要开发其它新技术 ，为临床 应用提供足够的可视化能力。 目前还没有一个验证和评估虚拟内窥镜 的使用性能(精确性、可重复性、灵敏性和特 殊性)的可靠标准 通常采用的方法是数学模 拟。美 国国家医学图馆的可视化人数据 (visual Holnan Data，VHD)在这方面可 以 起着重要的作用。VHD的人体冷冻切片图像 数据可以用来校正用 CT和 MRI图像数据 所做的处理结果，模拟测试过程，开发分割 建模、显示等图像处理算法。 6 结束语 虚拟 内窥镜是一种全新的非侵入式诊断 方法。虚拟内窥镜检查省去了使用镇静剂、插 入探羽器 住院治疗和术后观察等措施，降低 了检查的复杂性、危险性和医疗成本。从理论 上讲，多数人体内部结构都可以用这种技术 来进行模拟检查 ，此外 ，还能引导治疗 ，如高 维普资讯 http://www.cqvip.com _ 国外医学生物医学工程分册 1999年第 22卷第 6期 强度聚焦超声等 目前的应用仅仅局限在教 学、培训和设计治疗方案等少数领域 ，且处于 初级研究阶段。随着医学成像和计算机等相 关技术的飞速发展，虚拟 内窥镜的临床应用 将指 日可待。 参考 文献 1 Vining DJ．Virtual endoscopy：is it reality7．Ra— diology．1 996-200：1～ 3O． 2 Vining DJ．Virtual colonoscopy．Gastrointest Endosc Clin N Am，1 997t7：285～ 29 L 3 Satara RM ．Robb RA．Vigual endoscopy：App— lication of 3 D visualization to medical dmgno ； 一； sis．Presence，1997，3：23～ Z9 4 Rubin GD，Beaulieu CF，ArgiI'O V et al Perspe— ctive volume rendering of CT and M R images： applications for endoscopic viewing．Radiology， 1999，199：321～ 330． 5 Paik DS，Beaulieu CF，Jeffrey RB et al Autom ated flight path planning for virtual endoscopy． M ed phyS，1998，25：629～‘637． 6 Davis CP，Ladd ME，Romanowskic BJ et a1．H— illqflan aorta：Preliminary results with virtual endoscopy based on three—dimensional MR imaglng data sets．Radiology，1996，199：37～ 40． (收稿 日期：1999一O6—23) 生物电阻抗脑功能成像研究 ； ．吖 秦明新 综述 董秀珍 审 - 。-。 _ 。- -● 一 西安第四军医大学生物医学工程 系(710032) R 摘要 在脑科学研究和大脑疾病的临床诊疗过程 中，脑功能的连续监刺，特剐是脑功 能的二雄图像连续监测，对于人类深^地认识大脑和临床脑痍病 患者的及时治疗都 是十分重要的。本文主要讨论 了脑痍病、脑神经活动 EIT成像的生轴轴理基础 ；脑痍 病、脑神经活动的 EIT成像研咒；脑 EIT成像的测量技术研究；脑 EIT成像的算法 和脑计算模型研 究 以及 目前脑 EIT成像存在 的问题 和研 究方向 。 ’ 关键词 电阻抗 脑功能 断层成像 EIT 1 引言 电 阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)以其无损伤、低成本、连 续监测 的功能成像的特点 ，成为生物医学工 程学的重要研究课题之一 ，目前初步应用于 心脏、呼吸系统 的连续监测 和乳腺癌 的诊 断 j。由于脑功能的变化和大脑疾病的生理 病理改变都伴随有生物电阻抗的变化，因此 ， 在 脑科学研究 和大脑疾病的诊疗过程 中， EIT也具有潜在的应用价值 。例如 ：在脑科学 研究中，MRI、PET所产生的脑活动图像是 几秒钟或几分钟与代谢恢复过程有关的图 像，它们不能以较高的时间精度产生神经去 极化图像，而且前的 EIT成像系统成像速度 可达 25帧／秒，可能实现以较高的时间精度 进行成像0 ；癫痫病灶用脑电图定位是创伤 性的，用 X—CT进行定位大约只有 10 可观 察到变化，而癫病状态下，大脑反层阻抗增加 20 ，有可能进行 EIT成像0 ；脑皮层泛化 抑制是偏头痛的原因，其发生过程只有几分 钟的时间，现在常用放射性核素和热成像检 查 ，由于操作复杂而较难及时获得这种短暂 · 325 · 维普资讯 http://www.cqvip.com