虚拟内窥镜系统中的分割方法与三维重建技术要点

虚拟内窥镜系统的开发属于多学科交叉研究领域，是虚拟现实技术和现代医学影像技术的结合。下面介绍一个完整的虚拟内窥镜系统的主要组成部分^［29］。

（1）数据获取

数据获取，即临床采集的图像数据的读入、显示和存储。图像的采集方式和分辨率是后续三维重建精度的重要决定因素之一。对不同解剖结构的检查需要采用不同的方式。如气管、支气管、胃、肠系统的检查首选螺旋CT，如图5-9a所示，可以缩短采集时间，减少由于病人呼吸和移动造成的伪影，还可以在不增加曝光时间的情况下提供重叠的图像资料。对于神经系统一般选择MRI，因为头部较固定，可以较长时间的采集数据，得到高分辨率的图像。为了得到更好的图像质量，有时还需要对图像进行滤波和降噪等预处理。

图5-9 虚拟结肠镜效果图

a）结肠的CT图像 b）结肠的中心路径图 c）虚拟结肠内窥镜图像 d）光学内窥镜图像

（2）图像分割

在进行后续的处理前，需要从原始图像数据中提取出感兴趣的特征或子区域，从而减少待处理的数据量。图像分割是虚拟内窥镜系统的基础，分割效果直接影响后续操作。

目前主要采用全手动、半自动、自动三种分割方法。由于医学图像的复杂性，完全自动并精确地实现组织的分割是非常困难的，而手工分割的工作量太大，可重复性差，主观性强。因此使用结合相关医学专业知识的半自动技术实现组织分割是比较现实的，也是目前常用的方法。(www.xing528.com)

（3）器官管腔的三维重建

三维重建是对图像分割的结果进行计算和提取，将二维切片数据集重构成三维实体，并采用面绘制或体绘制技术实现三维数据场的可视化的过程。虚拟内窥镜系统的三维重建有表面重建和体重建两种方法。表面重建是从切片数据集中抽取出等值面，由点、线、构造出对象的几何表面，然后再由传统的图形学技术实现表面绘制。体重建不通过构造中间对象，直接由三维数据（体素）本身重现实体。

根据不同的绘制次序，体绘制方法目前主要分为两类分别为以图像空间为序的体绘制算法（光线投射法）和以对象空间为序的体绘制算法（单元投影法）。

（4）漫游

漫游是虚拟内窥镜系统中比较关键的一部分，其研究重点是提取漫游路径并生成漫游计划。在采用体重建绘制结果图像过程中，需要处理的数据量非常大，考虑到实时性要求，一般首先进行路径规划，抽取出对应空腔结构组织器官的中心路径，如图5-9b所示，然后按照这条关键路径进行漫游。

（5）实时绘制

实时绘制是按照三维重建的结果，模拟摄像机在人体组织器官内部移动产生的效果，根据相应的视点位置、视线方向实时显示出对应的场景，如图5-9c所示。