浅谈虚拟内窥镜技术

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1、浅谈虚拟内窥镜技术摘要：对计算机辅助手术中虚拟内窥镜技术的应用作了简单的阐述。介绍了虚拟内窥镜的技术发展、关键技术和实现的技术难点。尤其是在脑神经外科手术领域，简单的分析了虚拟内窥镜技术的实现，并且对计算机辅助手术领域虚拟内窥镜技术的发展作了进一步的展望。关键词：计算机辅助手术；虚拟内窥镜；微创手术；导航；神经外科手术Abstract:Ageneralpresentationofcomputer-aidedsurgeryapplicationsofvirtualendoscopybrieflydescribed・Ofvir

2、tualendoscopyofthetechnologydevelopment,keytechnologyandthetechnicaldifficulty.Especiallyinthefieldofbrainsurgery,asimpleanalysisoftheimplementationofvirtualendoscopyandvirtualendoscopyofthefieldofcomputerassistedsurgerytechnologywasfurtherprospects・Keywords:compu

3、terassistedsurgery;virtualendoscopy;minimallyinvasivesurgery;navigation;Neurosurgery・1内窥镜及虚拟内窥镜内窥镜是一种光学仪器，由体外经过人体自然腔道送入体内，对体内疾病进行检查，可以直接观察到脏器内腔病变，确定英部位、范围，并可进行照相、活检或刷片，大大的提高了癌的诊断准确率，并可进行某些治疗。光导纤维内窥镜系利用光导纤维传送冷光源，管径小，且可弯曲，检查时患者痛苦少。内窥镜现应用广泛，如胃镜检查胃癌，支气管镜检查肺癌、气管癌，食管镜检查

4、食管癌，乙状结肠镜检查直肠癌、乙状结肠癌,膀胱镜检查膀胱癌，喉镜检查喉癌，鼻咽镜检查鼻咽癌，阴道镜检查宫颈癌、阴道癌等。虚拟内窥镜技术是现今计算机辅助手术的一个研究热点，计算机辅助手术的关键技术：医学图像三维可视化、人体三维体数据浏览导航技术是虚拟内窥镜技术实现的必耍条件。虚拟内窥镜的技术原理是这样的，首先对病人进行MR、CT或超声等扫描，生成人体组织结构的序列断层扫描数据，对这些数据进行三维可视化处理后，在计算机屏幕上生成有内窥镜视觉效果的、病人组织结构序列三维可视化图像，以帮助医生对病人的病变器官进行观察，制定手术计划

5、及引导手术进程。2虚拟内窥镜的关键技术虚拟内窥镜经常采用的技术是，由虚拟摄像机仿真内窥镜导入病人中空组织器官，由此在屏幕上生成序列摄像机动画。虚拟内窥镜实现的技术难点是虚拟摄像机的路径生成，利用有限元方法自动生成摄像机路径是虚拟内窥镜技术的一个发展方向，而Rubin等人工指定虚拟摄像机的关键帧,再插值生成摄像机路径。GE公司的导航系统，利用三维可视化技术中的光线投射法，生成序列虚拟内窥镜图像，来完成对人体三维组织结构数据库进行导航。虚拟内窥镜技术另外一个技术难点是如何实现交互式显示内窥镜图像。Hong等人提出了新的虚拟内窥

6、镜导航方法，结合距离势场和运动学原理，实现了在人体结肠内直观的导航，该方法制定了能精简人体结肠可视化表面三角面片数冃的可视化算法，完成了在高端工作站上实时交互显示虚拟内窥镜图像的功能。3虚拟内窥镜在计算机辅助神经外科手术中的应用根据脑腔的组织形态及拓扑结构，虚拟内窥镜总体由两个阶段组成:预处理和交互式虚拟内窥镜生成。在预处理阶段，首先对病人进行脑部的MRI扫描，对采集到的断层数据利用三维区域增长法分割出脑腔，再利用指定区域增长的起始点和目标终点，采用Dijkstra的最短路径算法，生成默认的虚拟内窥镜路径，这一路径在没有用

7、户交互的情况下，可口动引导虚拟内窥镜运动。通过采用基于八叉树的并行移动立方体法，牛成脑腔的等值面轮廓，以生成三维脑腔模型。在预处理阶段，还须生成距离势场,编码虚拟内窥镜的当前点到脑腔脑组织表面的距离大小，这被用来避免虚拟内窥镜和脑腔脑组织表面的碰撞，当内窥镜越接近脑组织吋，距离势场阻止虚拟内窥镜再往前的后拉力也越大。在手术中，手术内窥镜的空间位置被实时跟踪，距离势场的作用是提醒内窥镜不要太接近脑组织。在预处理阶段之后，就可实时交互操作虚拟内窥镜，通过等值烦轮廓提取生成的脑腔表面模型冇近上百万个三角面片，因此很难做到实吋绘制

8、这些面片。通过精简面片，把模型表现中趋于平坦的三角面片合并生成大的面片，这样来使绘制的面片数得到减少。另一方面，利用OpenGL基于硬件支持的隐藏面消除算法，只对视野范围内的可见模型的面片进行绘制,这样在低端工作站及高配置PC上能实现每秒12帧的绘制效果，基本上能满足生成交互式虚拟内窥镜的要求。4虚拟内