專利名稱：基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開可視化方法
技術領域：
本發明涉及的是一種圖像處理技術領域的方法，具體涉及一種基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開可視化方法。
背景技術：
目前，CT和MRI技術的迅速發展，使得虛擬內窺鏡技術成為對管道性臟器進行三維可視化重建及觀察診斷的主要方法。這一技術用模擬了傳統光學內窺鏡體在腔道內行進，以光學內窺鏡的視角從內部對臟器內壁進行觀察。這個技術的優點在于其完全無侵入性。然而，現有的虛擬內窺鏡技術的缺點是內窺視角有著很大的限制，無法從外部對臟器的整體形態進行觀察，病灶定位不夠直觀，容易被皺褶阻擋，有遺漏處，使得檢查過程過于冗長繁瑣。
經對現有技術的文獻檢索發現，Hanno Hoppe等在American Journal ofRoentgenology(美國倫琴射線學雜志，2004年第182期第1151-1158頁)上發表的“Virtual Colon Dissection with CT Colonography Compared with AxialInterpretation and Conventional ColonoscopyPreliminary Results”(用于CT結腸數據的虛擬切割方法與中軸線解釋法和傳統內窺鏡比較的初步結果)一文中，提出了一種將結腸縱向虛擬切開成條狀來進行可視化診斷的方法。這種方法可以部分解決虛擬內窺診斷時視角限制的問題。其不足在于這種方法對結腸進行切開時，為了避免產生扭曲，將結腸分割為多段，檢查時費時費力；只對結腸中的部分片段有效；切開后的數據失去了原來的空間結構，使得觀察不夠直觀，影響病灶的定位。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提出了一種基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開可視化方法，使得對結腸的診斷可以不受內窺視角的限制，變得直觀、快捷，同時又不會對結腸內壁的解剖結構帶來形變而，而且平切精確完整，觀察方使。
本發明是通過以下技術方法實現的，本發明首先從原始醫學數據中分割出臟器圖像，用膨脹的方法產生虛擬臟器外壁，再對該管道性臟器找出中心路徑，然后對于中心路徑上的每一點確定剖曲面法向量，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據置為背景像素，最后對剩余的體數據進行區域生長，保證連通，最后把原始數據減去已顯示數據，得到另外一半臟器，以交互式的方式顯示出來。
所述的從原始醫學數據中分割出臟器圖像，用膨脹的方法產生虛擬臟器外壁，再對該管道性臟器找出中心路徑，是指用種子生成的區域分割算法對原始醫學數據進行分割，提取所需要觀察臟器空腔的三維位置數據，經三維數字形態學膨脹算法產生虛擬結腸壁。然后再利用距離變換的方法或者拓撲學細化的方法或者結合手工標記的方法，找出貫穿整個管道性空腔并且位于空腔內中心位置的一條中心路徑。
所述的對于中心路徑上的每一點確定剖曲面法向量，是指根據中心路徑上每一點的切線方向，求解出該點的剖曲面法向量，剖曲面法向量可以由以下三個條件唯一確定a.與切線方向垂直；b.跟上一個中心路徑點的裁切方向的夾角盡可能少；c.向量長度為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據置為背景像素，是指計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進行遍歷，再對任意一條切除向量從起點開始逐步延長，直到接觸結腸外壁。把遍歷所經過的空腔壁體數據標記為無效部分，像素值置為背景像素，從而使部分體數據得到切除。
所述的對剩余的模型進行區域生長，保證連通，是指對于切開結果中需要保留的像素進行區域生長，而保證結果區域的連通性，因為切割可能產生的碎片與保留區域不連通，因而得以清除，得到便于觀察診斷的器官影像。
所述的把原始數據減去已顯示數據，得到另外一部份結腸，是指把原始數據中，剛才被置為無效區域的部分置為有效區域，把原來已顯示的有效區域置為無效部分，像素值置背景像素，從而得到完整的另一半數據。
本發明相對于現有技術的優勢在于1、視角更為靈活和開闊，可觀察整體形態和空間位置關系，使診斷過程更為直觀高效，對病例的檢查效率提高五倍以上。2、兩部分數據組合后能100％保留原始數據，沒有變形扭曲，安全可靠。3、不需人為估算，對每一截面數據都進行精確的切割，確保沒多切，沒漏切，不會產生零碎碎片。
圖1空腔性臟器虛擬切開示意2各向量空間位置示意圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
本實施例實施步驟如下(1)圖像分割。(2)找出中心路徑。(3)確定剖曲面法向量。(4)利用遍歷進行切割。(5)生長連通。(6)計算另一部分。(7)繪制并交互式顯示。實施例采用對部分俯臥位人體結腸螺旋CT掃描數據進行處理，實現過程如下1.利用區域生長的方法在原始CT掃描圖像中分割出結腸空腔的二值化體數據，然后進行形態學膨脹運算，再在膨脹后的體數據中減去原空腔的數據，從而得到結腸壁的體數據。
2.對分割并膨脹后的結腸二值化體數據，以外壁作為邊界，進行距離變換，再利用距離變換值的倒數作最短路徑算法，求出結腸空腔的中心路徑，并對中心路徑做適當的平滑和插值。
3.對中心路徑上的每一個點，計算其剖曲面法向量。令所要求的當前中心路徑點的剖曲面法向量為 指向下一個中心路徑點的單位切向量(即近似中心路徑切線向量)為 上一個中心路徑點的剖曲面法向量為 剖曲面法向量 滿足以下三個約束條件
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剖曲面法向量的長度為1。也即||Xr||=x12+x22+x32=1.]]>4.以中心路徑上的每一個點為起點，計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°。對任意一條計算所得向量以0.5像素為步長延長，直到碰到結腸外壁，所指向的像素點全部置為背景像素。其中各向量空間位置關系如圖2所示。
5.因為處理后的圖像下部可能有零星的碎片，因此對結腸上部保留的體像素部分進行區域生長，把能生長到的部分保留，不能生長到的部分作為背景像素，以此清除切開帶來的碎片，得到便于觀察診斷的器官影像。
6.保存第一次分割結果后，把原始數據對第一次分割出來的數據進行集合減運算，得到另一部分沒被顯示的結腸數據。
7.對切割后的部分結腸進行體繪制，然后顯示出來，并允許任意轉換視角，對切開后的結腸內壁進行觀察。
如圖1所示，是虛擬切開在二維上的示意圖。經過這樣的處理，結腸三維模型被沿中心路徑平均切開兩部分，并去除了下半部的結腸的阻擋，使得對上半部結腸壁的內部結構形態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，以避開墻壁皺褶的遮擋，觀察更為直觀和靈活，醫師檢查效率提高5倍以上。另外，在去除一半結腸的基礎上，所觀察另一半結腸的空間位置和形態都得以保留，可以直觀觀察到結腸的總體結構和空間扭曲情況，病灶在結腸中的位置信息也一目了然。
權利要求
1.一種基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開可視化方法，其特征在于，首先從原始醫學數據中分割出臟器圖像，用膨脹的方法產生虛擬臟器外壁，再對該管道性臟器找出中心路徑，然后對于中心路徑上的每一點確定剖曲面法向量，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據置為背景像素，最后對剩余的體數據進行區域生長，保證連通，最后把原始數據減去已顯示數據，得到另外一半臟器，以交互式的方式顯示出來。
2.根據權利要求1所述的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開可視化方法，其特征是，所述的從原始醫學數據中分割出臟器圖像，用膨脹的方法產生虛擬臟器外壁，再對該管道性臟器找出中心路徑，是指用種子生成的區域分割算法對原始醫學數據進行分割，提取所需要觀察臟器空腔的三維位置數據，經三維數字形態學膨脹算法產生虛擬結腸壁，然后再利用距離變換的方法或者拓撲學細化的方法或者結合手工標記的方法，找出貫穿整個管道性空腔并且位于空腔內中心位置的一條中心路徑。
3.根據權利要求1所述的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開可視化方法，其特征是，所述的對于中心路徑上的每一點確定剖曲面法向量，是指根據中心路徑上每一點的切線方向，求解出該點的剖曲面法向量，剖曲面法向量由以下三個條件唯一確定a.與切線方向垂直；b.跟上一個中心路徑點的裁切方向的夾角盡可能少；c.向量長度為1。
4.根據權利要求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據置為背景像素，是指計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進行遍歷，再對任意一條切除向量從起點開始逐步延長，直到接觸結腸外壁，把遍歷所經過的空腔壁體數據標記為無效部分，像素值置為背景像素，從而使部分體數據得到切除。
5.根據權利要求1所述的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開可視化方法，其特征是，所述的對剩余的模型進行區域生長，保證連通，是指對于切開結果中需要保留的像素進行區域生長，而保證結果區域的連通性，因為切割可能產生的碎片與保留區域不連通，因而得以清除，得到便于觀察診斷的器官影像。
6.根據權利要求1所述的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開可視化方法，其特征是，所述的把原始數據減去已顯示數據，得到另外一部份結腸，是指把原始數據中，剛才被置為無效區域的部分置為有效區域，把原來已顯示的有效區域置為無效部分，像素值置背景像素，從而得到完整的另一半數據。
全文摘要
一種圖像處理技術領域的基于遍歷切除向量的管道性臟器虛擬切開可視化方法。本發明首先從原始醫學數據中分割出臟器圖像，用膨脹的方法產生虛擬臟器外壁，再對該管道性臟器找出中心路徑，然后對于中心路徑上的每一點確定剖曲面法向量，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據置為背景像素，最后對剩余的體數據進行區域生長，保證連通，最后把原始數據減去已顯示數據，得到另外一半臟器，以交互式的方式顯示出來。本發明使得對結腸的診斷可以不受內窺視角的限制，變得直觀、快捷，同時又不會對結腸內壁的解剖結構帶來形變而，而且平切精確完整，觀察方便。
文檔編號A61B5/055GK101059868SQ20071004172
公開日2007年10月24日 申請日期2007年6月7日 優先權日2007年6月7日
發明者梁家斌, 曹立基, 趙俊 申請人:上海交通大學