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浅谈虚拟内窥镜技术

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-aidedsurgery

applicationsofvirtualendoscopybrieflydescribed.Ofvirtual

endoscopyofthetechnologydevelopment,keytechnologyand

thetechnicaldifficulty.Especiallyinthefieldofbrainsurgery,a

simpleanalysisoftheimplementationofvirtualendoscopyand

virtualendoscopyofthefieldofcomputerassistedsurgery

technologywasfurtherprospects.

Keywords:computerassistedsurgery;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，确定其部位、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要条件。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目的可视化算法，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，这一路径在没有用户交互

的情况下，可自动引导虚拟内窥镜运动。