專(zhuān)利名稱(chēng)：基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開(kāi)可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體涉及一種基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開(kāi)可視化方法。
背景技術(shù)：
目前，CT和MRI技術(shù)的迅速發(fā)展，使得虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)成為對(duì)管道性臟器進(jìn)行三維可視化重建及觀察診斷的主要方法。這一技術(shù)用模擬了傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡體在腔道內(nèi)行進(jìn)，以光學(xué)內(nèi)窺鏡的視角從內(nèi)部對(duì)臟器內(nèi)壁進(jìn)行觀察。這個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其完全無(wú)侵入性。然而，現(xiàn)有的虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)的缺點(diǎn)是內(nèi)窺視角有著很大的限制，無(wú)法從外部對(duì)臟器的整體形態(tài)進(jìn)行觀察，病灶定位不夠直觀，容易被皺褶阻擋，有遺漏處，使得檢查過(guò)程過(guò)于冗長(zhǎng)繁瑣。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Hanno Hoppe等在American Journal ofRoentgenology(美國(guó)倫琴射線學(xué)雜志，2004年第182期第1151-1158頁(yè))上發(fā)表的“Virtual Colon Dissection with CT Colonography Compared with AxialInterpretation and Conventional ColonoscopyPreliminary Results”(用于CT結(jié)腸數(shù)據(jù)的虛擬切割方法與中軸線解釋法和傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡比較的初步結(jié)果)一文中，提出了一種將結(jié)腸縱向虛擬切開(kāi)成條狀來(lái)進(jìn)行可視化診斷的方法。這種方法可以部分解決虛擬內(nèi)窺診斷時(shí)視角限制的問(wèn)題。其不足在于這種方法對(duì)結(jié)腸進(jìn)行切開(kāi)時(shí)，為了避免產(chǎn)生扭曲，將結(jié)腸分割為多段，檢查時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力；只對(duì)結(jié)腸中的部分片段有效；切開(kāi)后的數(shù)據(jù)失去了原來(lái)的空間結(jié)構(gòu)，使得觀察不夠直觀，影響病灶的定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開(kāi)可視化方法，使得對(duì)結(jié)腸的診斷可以不受內(nèi)窺視角的限制，變得直觀、快捷，同時(shí)又不會(huì)對(duì)結(jié)腸內(nèi)壁的解剖結(jié)構(gòu)帶來(lái)形變而，而且平切精確完整，觀察方使。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明首先從原始醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中分割出臟器圖像，用膨脹的方法產(chǎn)生虛擬臟器外壁，再對(duì)該管道性臟器找出中心路徑，然后對(duì)于中心路徑上的每一點(diǎn)確定剖曲面法向量，再按照剖曲面法向量所確定的方向，在與中心線切線方向垂直的平面里，確定切除向量，并將切除向量遍歷到的臟器體數(shù)據(jù)置為背景像素，最后對(duì)剩余的體數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，保證連通，最后把原始數(shù)據(jù)減去已顯示數(shù)據(jù)，得到另外一半臟器，以交互式的方式顯示出來(lái)。
所述的從原始醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中分割出臟器圖像，用膨脹的方法產(chǎn)生虛擬臟器外壁，再對(duì)該管道性臟器找出中心路徑，是指用種子生成的區(qū)域分割算法對(duì)原始醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，提取所需要觀察臟器空腔的三維位置數(shù)據(jù)，經(jīng)三維數(shù)字形態(tài)學(xué)膨脹算法產(chǎn)生虛擬結(jié)腸壁。然后再利用距離變換的方法或者拓?fù)鋵W(xué)細(xì)化的方法或者結(jié)合手工標(biāo)記的方法，找出貫穿整個(gè)管道性空腔并且位于空腔內(nèi)中心位置的一條中心路徑。
所述的對(duì)于中心路徑上的每一點(diǎn)確定剖曲面法向量，是指根據(jù)中心路徑上每一點(diǎn)的切線方向，求解出該點(diǎn)的剖曲面法向量，剖曲面法向量可以由以下三個(gè)條件唯一確定a.與切線方向垂直；b.跟上一個(gè)中心路徑點(diǎn)的裁切方向的夾角盡可能少；c.向量長(zhǎng)度為1。
所述的再按照剖曲面法向量所確定的方向，在與中心線切線方向垂直的平面里，確定切除向量，并將切除向量遍歷到的臟器體數(shù)據(jù)置為背景像素，是指計(jì)算一條與單位切向量垂直，與剖面面法向量成ω角的切除向量。令ω在需要切除的方向內(nèi)進(jìn)行遍歷，再對(duì)任意一條切除向量從起點(diǎn)開(kāi)始逐步延長(zhǎng)，直到接觸結(jié)腸外壁。把遍歷所經(jīng)過(guò)的空腔壁體數(shù)據(jù)標(biāo)記為無(wú)效部分，像素值置為背景像素，從而使部分體數(shù)據(jù)得到切除。
所述的對(duì)剩余的模型進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，保證連通，是指對(duì)于切開(kāi)結(jié)果中需要保留的像素進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，而保證結(jié)果區(qū)域的連通性，因?yàn)榍懈羁赡墚a(chǎn)生的碎片與保留區(qū)域不連通，因而得以清除，得到便于觀察診斷的器官影像。
所述的把原始數(shù)據(jù)減去已顯示數(shù)據(jù)，得到另外一部份結(jié)腸，是指把原始數(shù)據(jù)中，剛才被置為無(wú)效區(qū)域的部分置為有效區(qū)域，把原來(lái)已顯示的有效區(qū)域置為無(wú)效部分，像素值置背景像素，從而得到完整的另一半數(shù)據(jù)。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于1、視角更為靈活和開(kāi)闊，可觀察整體形態(tài)和空間位置關(guān)系，使診斷過(guò)程更為直觀高效，對(duì)病例的檢查效率提高五倍以上。2、兩部分?jǐn)?shù)據(jù)組合后能100％保留原始數(shù)據(jù)，沒(méi)有變形扭曲，安全可靠。3、不需人為估算，對(duì)每一截面數(shù)據(jù)都進(jìn)行精確的切割，確保沒(méi)多切，沒(méi)漏切，不會(huì)產(chǎn)生零碎碎片。


圖1空腔性臟器虛擬切開(kāi)示意2各向量空間位置示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
本實(shí)施例實(shí)施步驟如下(1)圖像分割。(2)找出中心路徑。(3)確定剖曲面法向量。(4)利用遍歷進(jìn)行切割。(5)生長(zhǎng)連通。(6)計(jì)算另一部分。(7)繪制并交互式顯示。實(shí)施例采用對(duì)部分俯臥位人體結(jié)腸螺旋CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下1.利用區(qū)域生長(zhǎng)的方法在原始CT掃描圖像中分割出結(jié)腸空腔的二值化體數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹運(yùn)算，再在膨脹后的體數(shù)據(jù)中減去原空腔的數(shù)據(jù)，從而得到結(jié)腸壁的體數(shù)據(jù)。
2.對(duì)分割并膨脹后的結(jié)腸二值化體數(shù)據(jù)，以外壁作為邊界，進(jìn)行距離變換，再利用距離變換值的倒數(shù)作最短路徑算法，求出結(jié)腸空腔的中心路徑，并對(duì)中心路徑做適當(dāng)?shù)钠交筒逯怠?br> 3.對(duì)中心路徑上的每一個(gè)點(diǎn)，計(jì)算其剖曲面法向量。令所要求的當(dāng)前中心路徑點(diǎn)的剖曲面法向量為 指向下一個(gè)中心路徑點(diǎn)的單位切向量(即近似中心路徑切線向量)為 上一個(gè)中心路徑點(diǎn)的剖曲面法向量為 剖曲面法向量 滿足以下三個(gè)約束條件
條件1與單位切向量垂直，也即 條件2跟上一條剖曲面法向量的夾角盡可能少(可等價(jià)為與切向量和上一條剖曲面法向量共面)。也即a1a2a3x1x2x3x1′x2′x3′=0]]>條件3剖曲面法向量的長(zhǎng)度為1。也即||Xr||=x12+x22+x32=1.]]>4.以中心路徑上的每一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)，計(jì)算一條與單位且向量垂直，與剖面法向量成ω角的切除向量，ω遍歷-90°到+90°。對(duì)任意一條計(jì)算所得向量以0.5像素為步長(zhǎng)延長(zhǎng)，直到碰到結(jié)腸外壁，所指向的像素點(diǎn)全部置為背景像素。其中各向量空間位置關(guān)系如圖2所示。
5.因?yàn)樘幚砗蟮膱D像下部可能有零星的碎片，因此對(duì)結(jié)腸上部保留的體像素部分進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，把能生長(zhǎng)到的部分保留，不能生長(zhǎng)到的部分作為背景像素，以此清除切開(kāi)帶來(lái)的碎片，得到便于觀察診斷的器官影像。
6.保存第一次分割結(jié)果后，把原始數(shù)據(jù)對(duì)第一次分割出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集合減運(yùn)算，得到另一部分沒(méi)被顯示的結(jié)腸數(shù)據(jù)。
7.對(duì)切割后的部分結(jié)腸進(jìn)行體繪制，然后顯示出來(lái)，并允許任意轉(zhuǎn)換視角，對(duì)切開(kāi)后的結(jié)腸內(nèi)壁進(jìn)行觀察。
如圖1所示，是虛擬切開(kāi)在二維上的示意圖。經(jīng)過(guò)這樣的處理，結(jié)腸三維模型被沿中心路徑平均切開(kāi)兩部分，并去除了下半部的結(jié)腸的阻擋，使得對(duì)上半部結(jié)腸壁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和病變部位都得以暴露，觀察視角大大增大，可以更為自由地選擇觀察點(diǎn)，以避開(kāi)墻壁皺褶的遮擋，觀察更為直觀和靈活，醫(yī)師檢查效率提高5倍以上。另外，在去除一半結(jié)腸的基礎(chǔ)上，所觀察另一半結(jié)腸的空間位置和形態(tài)都得以保留，可以直觀觀察到結(jié)腸的總體結(jié)構(gòu)和空間扭曲情況，病灶在結(jié)腸中的位置信息也一目了然。
權(quán)利要求
1.一種基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開(kāi)可視化方法，其特征在于，首先從原始醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中分割出臟器圖像，用膨脹的方法產(chǎn)生虛擬臟器外壁，再對(duì)該管道性臟器找出中心路徑，然后對(duì)于中心路徑上的每一點(diǎn)確定剖曲面法向量，再按照剖曲面法向量所確定的方向，在與中心線切線方向垂直的平面里，確定切除向量，并將切除向量遍歷到的臟器體數(shù)據(jù)置為背景像素，最后對(duì)剩余的體數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，保證連通，最后把原始數(shù)據(jù)減去已顯示數(shù)據(jù)，得到另外一半臟器，以交互式的方式顯示出來(lái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開(kāi)可視化方法，其特征是，所述的從原始醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中分割出臟器圖像，用膨脹的方法產(chǎn)生虛擬臟器外壁，再對(duì)該管道性臟器找出中心路徑，是指用種子生成的區(qū)域分割算法對(duì)原始醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，提取所需要觀察臟器空腔的三維位置數(shù)據(jù)，經(jīng)三維數(shù)字形態(tài)學(xué)膨脹算法產(chǎn)生虛擬結(jié)腸壁，然后再利用距離變換的方法或者拓?fù)鋵W(xué)細(xì)化的方法或者結(jié)合手工標(biāo)記的方法，找出貫穿整個(gè)管道性空腔并且位于空腔內(nèi)中心位置的一條中心路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開(kāi)可視化方法，其特征是，所述的對(duì)于中心路徑上的每一點(diǎn)確定剖曲面法向量，是指根據(jù)中心路徑上每一點(diǎn)的切線方向，求解出該點(diǎn)的剖曲面法向量，剖曲面法向量由以下三個(gè)條件唯一確定a.與切線方向垂直；b.跟上一個(gè)中心路徑點(diǎn)的裁切方向的夾角盡可能少；c.向量長(zhǎng)度為1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開(kāi)可視化方法，其特征是，所述的再按照剖曲面法向量所確定的方向，在與中心線切線方向垂直的平面里，確定切除向量，并將切除向量遍歷到的臟器體數(shù)據(jù)置為背景像素，是指計(jì)算一條與單位切向量垂直，與剖面面法向量成ω角的切除向量，令ω在需要切除的方向內(nèi)進(jìn)行遍歷，再對(duì)任意一條切除向量從起點(diǎn)開(kāi)始逐步延長(zhǎng)，直到接觸結(jié)腸外壁，把遍歷所經(jīng)過(guò)的空腔壁體數(shù)據(jù)標(biāo)記為無(wú)效部分，像素值置為背景像素，從而使部分體數(shù)據(jù)得到切除。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開(kāi)可視化方法，其特征是，所述的對(duì)剩余的模型進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，保證連通，是指對(duì)于切開(kāi)結(jié)果中需要保留的像素進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，而保證結(jié)果區(qū)域的連通性，因?yàn)榍懈羁赡墚a(chǎn)生的碎片與保留區(qū)域不連通，因而得以清除，得到便于觀察診斷的器官影像。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開(kāi)可視化方法，其特征是，所述的把原始數(shù)據(jù)減去已顯示數(shù)據(jù)，得到另外一部份結(jié)腸，是指把原始數(shù)據(jù)中，剛才被置為無(wú)效區(qū)域的部分置為有效區(qū)域，把原來(lái)已顯示的有效區(qū)域置為無(wú)效部分，像素值置背景像素，從而得到完整的另一半數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開(kāi)可視化方法。本發(fā)明首先從原始醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中分割出臟器圖像，用膨脹的方法產(chǎn)生虛擬臟器外壁，再對(duì)該管道性臟器找出中心路徑，然后對(duì)于中心路徑上的每一點(diǎn)確定剖曲面法向量，再按照剖曲面法向量所確定的方向，在與中心線切線方向垂直的平面里，確定切除向量，并將切除向量遍歷到的臟器體數(shù)據(jù)置為背景像素，最后對(duì)剩余的體數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，保證連通，最后把原始數(shù)據(jù)減去已顯示數(shù)據(jù)，得到另外一半臟器，以交互式的方式顯示出來(lái)。本發(fā)明使得對(duì)結(jié)腸的診斷可以不受內(nèi)窺視角的限制，變得直觀、快捷，同時(shí)又不會(huì)對(duì)結(jié)腸內(nèi)壁的解剖結(jié)構(gòu)帶來(lái)形變而，而且平切精確完整，觀察方便。
文檔編號(hào)A61B5/055GK101059868SQ20071004172
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月7日
發(fā)明者梁家斌, 曹立基, 趙俊 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)