虚拟支气管镜路径规划器(Virtual Bronchoscopic Pathfinder, VBP)：一种用于气道分割、代价场路径规划与跨设备三维导航的开源Web系统

《Tomography》：Virtual Bronchoscopic Pathfinder (VBP): An Open-Source Web-Based System for Airway Segmentation, Cost-Field Path Planning, and Cross-Device 3D Navigation

　　

背景/目的：虚拟支气管镜导航(Virtual Bronchoscopic Navigation, VBN)用于引导支气管镜抵达肺外周病变，但专有软件成本高昂及细小远端气道分割断裂导致路径规划中断，限制了其广泛采用。本研究提出Virtual Bronchoscopic Pathfinder(VBP)——一种开源、基于Web的系统，用于自动化气道分割、稳健路径生成及浏览器端三维可视化。方法：系统整合五部分组件——采用含Connectivity-Aware Surrogate(CAS)与Local-Sensitive Distance(LSD)模块的连接性感知深度学习模型进行肺动脉气道分割；使用TotalSegmentator自动定位肿瘤；通过C++实现保持拓扑的三维细化(thinning)算法提取中心线；基于三层解剖代价场(中心线、气道腔、肺实质代价)运行双向Dijkstra算法进行多目标路径规划；基于vtk.js构建零安装(zero-footprint)可视化界面，同步轴位视图与交互式体绘制。VBP在公开Lung-PET-CT-Dx数据集154例受试者306个薄层CT序列上进行验证。结果：306个CT序列中33个(10.8%)因扫描仪特异性分割伪影被排除；剩余273个解剖学有效序列中，系统对所有病例成功生成完整端到端导航路径，整体流程成功率为273/306(89.2%)。Web界面经确认可在台式机、笔记本及移动设备上运行且无需客户端安装。结论：Virtual Bronchoscopic Pathfinder证明，完全基于开源组件可构建可靠且易获取的虚拟支气管镜导航工作流，结合连接性感知分割、代价场路径规划与浏览器端可视化，为影像信息学研究及术中支气管镜引导的后续开发提供了实用基础。

Virtual Bronchoscopic Pathfinder (VBP)：一种用于气道分割、代价场路径规划与跨设备三维导航的开源Web系统的论文解读

研究背景与立项依据

外周肺病变（Peripheral Pulmonary Lesions, PPLs）的经支气管确诊需经复杂支气管树精确导航。虚拟支气管镜导航（Virtual Bronchoscopic Navigation, VBN）虽可通过计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）重建三维气道提供术前路线图，但现有基于深度学习的分割模型常出现远端细支气管拓扑断裂（topological breakage），破坏路径规划可靠性；且现有虚拟支气管镜工具多为商业闭源软件或需本地安装，缺乏统一整合连接性感知分割、骨架断裂耐受路径规划及零安装Web可视化的公开管线。为突破专有软件成本限制并解决远端气道分割失败致规划中断的瓶颈，研究人员开发了完全基于开源组件、具浏览器端三维交互能力的完整VBN流水线——Virtual Bronchoscopic Pathfinder (VBP)，并发表于《Tomography》。

主要关键技术方法

研究人员选用公共癌症影像存档（The Cancer Imaging Archive, TCIA）中Lung-PET-CT-Dx数据集，纳入154名受试者共306个薄层（≥200层轴向切片，16位灰度结构CT）序列。关键方法包括：(1) 气道分割采用嵌入Connectivity-Aware Surrogate (CAS) 与 Local-Sensitive Distance (LSD) 模块的连接性感知深度学习模型以维持远端支气管拓扑连续性；(2) 肿瘤定位采用TotalSegmentator进行体素级分割并计算病灶质心（Center of Mass, COM）；(3) 气道掩膜经C++实现之拓扑保持三维细化（topology-preserving 3D thinning）算法提取单个体素厚度中轴线（中心线）；(4) 构建三层解剖代价场（Cost Field）：骨架体素代价1、气道腔体素代价5、肺实质/其他组织代价50，在此基础上以双向Dijkstra算法（dijkstra3d库，26邻域）自气管最高Z坐标骨架点至各肿瘤COM进行多目标路径搜索；(5) 后端Flask (Python) 提供RESTful API，前端基于vtk.js引擎构建响应式单页应用（Single Page Application, SPA），支持双面板二维轴位/三维体绘制同步显示及移动端自适应布局，输出NIfTI格式标记体积（含气道腔、骨架、肿瘤及对应路径标签编码）。

研究结果

3.1. Quantitative Evaluation（定量评估）

研究人员在306个CT序列上运行端到端VBP管线，33个序列（10.8%）因扫描仪特异性采集伪影产生结构不合理之气道掩膜而被排除；其余273个解剖学有效序列（89.2%）中，双向Dijkstra算法均成功生成从近端气管至TotalSegmentator检出各肿瘤COM之连续路径，有效子集内路径生成成功率100%，总流程成功率273/306（89.2%）。

3.2. Qualitative Assessment（定性评估）

经代表性病例定性复核，计算所得路径沿连接性感知分割模型重建之支气管中线走行并通过远端分支，在细微骨架不连续处正确切换至气道腔代价层，肿瘤位于可分割支气管范围之外时规划器按设计成功穿越肺实质代价层抵达目标COM，轨迹具解剖合理性。

3.3. Web-Based System: Cross-Device Operability（Web系统跨设备可操作性）

VBP可视化系统在台式工作站、笔记本及智能手机三类设备上验证零安装跨平台基本运行能力。服务器端NIfTI预处理与切片编码无显著延迟，客户端载入后无需再次请求服务器；桌面与便携设备三维体绘制可平滑交互旋转缩放，移动端响应式布局与触屏控件正常工作，支持Chrome、Firefox及Safari当前版本。

讨论与结论翻译

VBP科学贡献在于将CT衍生气道分割转化为适于导航分析之解剖一致图论表达，在分割、骨架化、图抽象及路径规划各阶段保持气道拓扑，填补了此前无公开可部署系统统一上述功能之空白。其技术新颖性为三层解剖代价场设计——既往支气管镜路径规划仅依赖骨架图，骨架中断即失败；VBP通过密集体素代价场赋予骨架、腔、肺实质分级通行代价，保证气管至任意可达肿瘤COM之连续路径始终存在（优雅降级），且每例只构建一次代价场供多肿瘤目标复用，计算高效。局限性含：肿瘤COM邻近气管或主支气管时可产生非经支气管树之近端捷径；超出于可分割远端支气管范围之肿瘤致过长肺实质穿越；TotalSegmentator衍生COM未与放射科医师确认病灶中心比对；气管源点判定（骨架最大Z坐标）在重度倾斜或全身体位采集可能不准；未加自动胸部视野（Field of View, FOV）截取致扫描床空气伪影干扰。33例排除之分割失败归为三类扫描仪相关伪影：Type 1——检查床中央纵向空气通道误判为气管（27例，多见于Philips scanners之Chest 3D IMR）；Type 2——检查床楔形侧缘空气间隙误判为支气管段（5例，Siemens及Philips）；Type 3——全身体扫中大腿皮肤与衣物间低衰减间隙误识为气道腔（1例，Siemens）。未来改进方向含：CT解剖感知预过滤、最小支气管分叉深度约束防近端捷径、独立胸放射科医师回顾之前瞻性临床可导航性研究、及扩展至实时术中引导与多用户协作。

结论（原文翻译浓缩）

研究人员开发并验证了Virtual Bronchoscopic Pathfinder (VBP)——一种整合自动气道与肿瘤分割、拓扑保持骨架化、基于三层解剖代价场之多目标双向Dijkstra路径规划及零安装浏览器三维可视化之完整开源Web端VBN系统。于154名肺癌受试者306个异质性CT序列验证，VBP在273/306序列（89.2%）成功生成端到端路径，33例（10.8%）因扫描仪特异性分割伪影排除，解剖学有效例中路径生成全数成功。三层代价场为VBN文献首见，为骨架不连续提供原则性容错机制。VBP完全基于开源组件与公共数据集，证明无需专有软硬件即可实现可靠支气管镜导航引导，系统公开访问于 https://vbn.ziovision.ai，为支气管镜导航影像信息学研究提供可扩展、可复现基础，其模块化架构支持向术中引导及多用户临床工作流延伸。