專利名稱：一種具有生理功能的人體腎臟計算機三維模型構建方法
技術領域：
本發明屬于虛擬現實技術和計算機圖像處理領域，具體涉及一種具有生理功能的人體腎臟及其微細結 構計算機三維模型構建方法。
背景技術：
虛擬現實(Virtual Reality)技術是一個由圖像技術、傳感器技術、計算機技術、多媒體技術、網絡技術 以及人機交互技術相結合的產物。20世紀90年代以來，計算機科學領域的科研人員越來越多地將研究重 點投入到虛擬現實當中，它提供了傳統計算機科學與非計算機學科之間進行學科交叉的技術橋梁。進入21 世紀，人類利用高性能計算機對人體自身進行研究的步伐逐漸加快，虛擬現實技術以其強大的交互性能和 真實的環境再現效果使得這一研究更加具有實用價值，例如將虛擬現實技術應用到人體部位功能恢復訓 練、輔助外科手術、行為預測與仿真模擬等方面。
虛擬現實技術與生命科學的交叉點在于虛擬人體整體或部分器官功能進行建模與仿真，從而可以對醫 學研究中難以進行的某些實驗進行虛擬實現。隨著計算機技術的發展，計算機應用于輔助三維重建技術， 建立的三維立體解剖結構可以從任意角度、任意方向上觀察，并可以任意切割，為影像診斷和外科手術提 供重要的形態學依據。90年代初期，美國National Library of Medicine發起進行可視化人體的計劃，1994 年，美國科羅拉多大學醫學院承擔采集任務的第一個男性可視化人體數據集采集完畢，次年，第一個女性 可視化人體數據集采集完畢。隨后進行的就是根據該數據集進行一系列不同側重點的研究工作。主要分為 單純基于圖像的研究和對圖像進行進一步加工利用的研究。單純對于圖像的研究主要是依靠彩色的人體切 片圖像對CT和MR的圖像采集結果進行效果的提升。而研究最多的是對于圖像的進一步加工利用，也就 是建立三維虛擬人的工作。迄今為止，包括美國、中國、韓國在內的多個國家已建立或正在建立三維虛擬 人體模型，這種模型以人體斷面連續切片為建模基礎，人體斷面連續切片滿足作為重建數據源的二維圖像 的連續性、完整性、精確性的要求，而且能夠提供更豐富的數據量。目前最先進行虛擬人研究的美、中、 韓三國已經相繼建立起自己的虛擬人模型，并著手進行下一步的生理人研究計劃。
如何利用重建的三維虛擬人體進行更有價值的研究？最佳的途徑是使這些模型具有真實的生理功能， 最終的目標是代替真實的人體進行各項科學研究實驗。人體是由許多具有各自豐富功能的器官組成的，生 理人的研究首先需要從各個生理器官著手。目前國際上對骨骼、肌肉、心臟、肝臟等重要的人體結構和器 官進行了三維結構的重建以及進行生理仿真實驗。對于骨骼、肌肉等主要進行的是力學分析實驗，對于肝 臟這個人體最重要的代謝器官，主要是進行肝臟結構的重建以及虛擬手術等功能的實驗。
本發明所關注的人體器官為腎臟。腎臟是人體主要的排泄器官，用顯微鏡觀察，可見到每一個腎臟主
3要由約100萬個具有相同結構與機能的腎單位和少量結締組織所組成，其間有大量血管和神經纖維。腎臟 的三維重建與其他器官不同，它沒有心臟等器官的肌肉組織可以進行力學結構分析，它內部充滿了血管并 且具有上百萬的腎單位。對于腎臟的生理功能研究主要集中于藥物在其內部的排泄過程。因此本發明所采 用的重建方法不同于原有的人體器官重建技術，而是兼顧腎臟的宏觀和微觀結構，分步驟進行重建，之后 加以整合，并進行生理功能仿真分析。
由此可見，虛擬人數據庫的建立只是人類探索虛擬人體的一個開端。它的切片數據可以為后續研究提 供精確的人體解剖學依據，作為計算機領域三維模型建立的可靠數據來源。基于生理微細結構水平的虛擬 現實技術與人體斷面掃描虛擬人數據庫之間有很強的互補性。但該領域目前的研究現狀是需要考慮切片數 據庫建立之后如何能被更好地利用，如何做好由"虛擬數字人"向"虛擬生理人"轉變的重要工作。利用 虛擬現實技術，構建具有生理功能的人體或器官的計算機三維模型被證明是一個合理有意義的研究領域， 其中，基于彩色序列圖像的三維重建技術是構建計算機三維模型的最有前景的方法之一。
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發明內容
針對基于圖像構建計算機三維仿真模型的問題，本發明提出一種簡單、可行的方法，即一種具有生理 功能的人體腎臟及其微細結構計算機三維模型構建方法。該方法利用人體腎臟的連續斷面彩色圖像數據進 行腎臟的宏觀結構及其微細結構——腎單位的計算機三維模型的構建，在整合宏觀結構和微細結構的基礎 上進行仿真計算，從而實現三維虛擬腎臟的生理功能，如吸收、排泄、滲透等功能的仿真，并且所構建 的模型具有可交互性。
本發明的技術方案， 一種具有生理功能的人體腎臟及其微細結構計算機三維模型構建方法，包括如下 具體步驟
(1) 三維數據場的獲取
對人體腎臟的連續斷面彩色圖像數據進行分割、配準、融合等預處理，得到圖像中的輪廓線并對其進 行編輯、修改、儲存等操作，得到輪廓線數據；將連續數據離散化處理，重新填充和分類，形成三維數據 場。
(2) 腎臟宏觀結構的三維重建；采用面繪制方法來構建腎臟的宏觀三維模型，通過由空間三維數據場構造出中間幾何圖元(如平面多 邊形)，然后由計算機圖形學技術實現畫面繪制來擬合物體表面，描述物體三維結構。
(3) 腎臟微細結構——腎單位的三維重建
采用腎臟的連續切片彩色圖像數據，在計算機圖像軟件的處理下重組空間結構，利用三維體繪制的方 法構建微細結構。
(4) 腎臟微觀結構的三維模型與腎臟宏觀結構的三維模型的整合；
采用重復柵格的方式生成整個物體或系統的仿真計算模型，利用多次運算的中間結果的傳遞來減少一 次運算的運算量。
本發明的有益效果在于通過使用該方法，能夠在構建腎臟宏觀三維模型及其微細結構三維模型的基 礎上實現腎臟生理功能的仿真，在保持較高的仿真程度的基礎上，可以用于腎臟的手術、代謝、吸收等領 域的模擬。
圖1是本發明的仿真計算模型建立過程示意圖； 圖2是本發明的三維可視化場景建立過程示意圖； 圖3是本發明的場景實時驅動渲染和數據整合流程圖4是本發明一種具有生理功能的人體腎臟及其微細結構計算機三維模型構建方法的流程圖。
具體實施例方式
本發明研究的技術路線是分別建立仿真計算模型和實現計算機三維模型的交互式操作，然后再進行集 成整合的。
人體腎臟中，腎單位是腎臟基本結構和實現生理功能的基本單位。每個腎單位由腎小體和腎小管組成。 腎小體內有一個毛細血管團，稱為腎小球,腎小球是個血管球，由腎動脈分支形成。腎小球外有腎小囊包 繞。腎小囊分兩層，兩層之間有囊腔與腎小管的管腔相通。腎臟的物理結構決定了對其的三維重建必須要 涵蓋宏觀結構和微細結構兩部分的內容。
本發明的仿真計算模型的建立是以腎單位的生理特性數據和常用藥物成分的藥理特性數據結合為基 礎的，其建立過程如圖l所示(。首先，根據腎單位的結構生理環境特征抽象化成為生理結構特征參數， 將目標藥物的藥理特性與生理結構的特征參數建立一一對應的腎臟內藥物代謝公式，根據公式通過計算機 進行仿真計算，得到的藥物代謝結果與臨床數據進行比較并進行修正，通過多次修正，最終達到使該仿真 模型可以達到臨床實驗的數據準確度，從而完成仿真理論模型的建立工作。
本發明涉及到腎臟的宏觀模型和微觀模型，這兩種模型的建立并不是在同一個過程中一次性建立的，
6而是按照分別建立三維模型最終整合為一體化的腎臟模型的步驟進行的，如圖2所示。具體方法是，根據 虛擬人切片數據采集的彩色圖像選取腎臟部位連續序列，并對腎臟的外部輪廓和內部組織結構進行圖像分 割和配準，利用開源三維重建軟件VTK對處理后的圖像進行三維重建，建立腎臟的三維宏觀模型。同時， 根據解剖學理論對于腎臟的腎單位進行三維模擬建模，重點表達出腎單位中血管的結構組成及腎單位的整 體分布狀態。最后，將基于真實人體切片圖像重建的三維宏觀模型與三維模擬建模的腎臟微細機構進行一 體化整合，形成完整的宏觀微觀一體化的人體腎臟模型。
完成仿真計算模型和三維腎臟模型之后，需要對二者進行整合(如圖3)，最終形成一個可以人機交互 操作的具有生理功能的虛擬腎臟(如圖4)。以腎單位作為腎臟生理功能計算的最小單位，并以其內部的血 液中藥物的吸收、分布、代謝、消除和排泄等的處置，數量(濃度)與時間的關系等作為計算參數，運用 有限元方法采用醫學有限元軟件對腎臟內數以百萬計的腎單位采用圖1所示的仿真計算模型在應用程序的 后臺進行仿真計算，同時將計算結果實時反映到人機交互可視化界面中，對于腎臟內的藥物排泄情況進行 可視化表現。完成以上功能之后，可通過輸入腎臟不同病理條件參數，利用后臺的仿真計算模型模擬腎臟 在不同病理條件下對藥物的排泄情況變化；也可改變藥物性質的關鍵參數，仿真計算不同藥物在相同腎臟 生理狀態下的代謝過程。
具體方法如下
1) 確定腎臟的計算機三維模型所覆蓋的空間范圍；
2) 定義具有均一物理特性的獨立柵格即腎單位的幾何結構和物理組成(組成、性質等)，作為填充計 算機三維模型覆蓋區域的基本單元。在幾何結構上，柵格對應于仿真計算模型中的體元；
3) 將腎臟的計算機三維模型劃分為幾個幾何體并定義其幾何尺寸和物理組成,每個幾何體均由上述步 驟2)中的柵格組成。在物理組成上，幾何體對應于仿真計算模型劃分的小區域；
4) 用2)中定義的柵格填充3)中定義的幾何體，再利用所有的幾何體求取l)中定義的空間區域，從而 生成與腎臟的真實結構具有相同幾何和物理組成的三維仿真計算模型；
5) 通過仿真計算實現腎臟的生理功能。連續、完整地顯示腎臟內部的微細結構，為具有生理功能的 腎臟及其微細結構的計算機三維模型構建提供厚薄均勻、解剖信息豐富連續、完整的薄層斷面數據集。在 計算機三維模型和已經建立的腎臟數學模型的基礎上用計算機仿真來研究通用的腎臟代謝功能。例如，應 用計算機仿真可以給出一定條件下各種生理參數對腎圖的影響，以此為根據可以對腎臟的重吸收、藥物排 泄等功能作進一步的分析。
權利要求
1.一種具有生理功能的人體腎臟計算機三維模型構建方法，其特征在于包括以下步驟(1)獲取三維數據場；(2)腎臟宏觀結構的三維重建；(3)腎臟微細結構——腎單位的三維重建；(4)實現腎臟微觀結構的三維模型與腎臟宏觀結構的三維模型的整合。
2. 根據權利要求1所述的一種具有生理功能的人體腎臟計算機三維模型構建方法，其特征在于所 述的步驟(1)中，首先，對人體腎臟的連續斷面彩色圖像數據進行分割、配準、融合等預處理，得到圖 像中的輪廓線并對其進行編輯、修改、儲存等操作，獲得輪廓線數據；然后，將連續數據離散化處理，重 新填充和分類，形成三維數據場。
3. 根據權利要求1所述的一種具有生理功能的人體腎臟計算機三維模型構建方法，其特征在于所 述的步驟(2)中，腎臟宏觀三維模型構建采用面繪制方法，具體通過由空間三維數據場構造出中間幾何 圖元(如平面多邊形)，然后由計算機圖形學技術實現畫面繪制來擬合物體表面，描述物體三維結構。
4. 根據權利要求1所述的一種具有生理功能的人體腎臟計算機二維模型構建方法，其特征在于所 述的步驟(3)中，采用腎臟的連續切片彩色圖像數據，用計算機圖像軟件進行預處理，利用三維體繪制 的方法構建微細結構，具體步驟首先，讀取腎臟的連續切片彩色圖像數據，通過濾波、圖像增強等圖像 預處理過程提高圖像質量，獲得較清晰的二維切片圖像；然后，通過圖像分割方法，建立并提取腎單位的 區域輪廓，經配準后，建立所有二維腎單位圖像的三維數據場，并對三維數據場中的每一個不同類元素賦 以不同的顏色、透明度屬性，在觀察平面上進行投影，進行可視化成像處理。
5. 根據權利要求1所述的一種具有生理功能的人體腎臟計算機三維模型構建方法，其特征在于所 述的步驟(4)中，利用多次運算的中間結果的傳遞來減少一次運算的運算量，生成整個對象的仿真計算 模型，具體步驟① 確定腎臟的計算機三維模型所覆蓋的空間范圍；② 定義具有均一物理特性的獨立柵格即腎單位的幾何結構和物理組成(組成、性質等)，作為填充計算 機三維模型覆蓋區域的基本單元，在幾何結構上，柵格對應于仿真計算模型中的體元；③ 將腎臟的計算機三維模型劃分為幾個幾何體并定義其幾何尺寸和物理組成，每個幾何體均由上述步驟 ②中的柵格組成，在物理組成上，幾何體對應于仿真計算模型劃分的小區域；④ 用②中定義的柵格填充③中定義的幾何體，再利用所有的幾何體求取①中定義的空間區域，從而生成 與腎臟的真實結構具有相同幾何和物理組成的三維仿真計算模型 通過仿真計算實現腎臟的生理功能，在計算機三維模型和已經建立的腎臟數學模型的基礎上用計算機 仿真來研究通用的腎臟代謝功能。
全文摘要
針對基于圖像構建計算機三維仿真模型的問題，本發明提出一種簡單、可行的方法，即一種具有生理功能的人體腎臟計算機三維模型構建方法。該方法利用人體腎臟的連續斷面彩色圖像數據進行腎臟的宏觀結構及其微細結構——腎單位的計算機三維模型的構建，在整合宏觀結構和微細結構的基礎上進行仿真計算，從而實現三維虛擬腎臟的生理功能，如吸收、排泄、滲透等功能的仿真，并且所構建的模型具有可交互性。
文檔編號G06T17/00GK101582172SQ20091014638
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月22日 優先權日2009年6月22日
發明者曹艷娟, 李小寧, 杰 石, 戈 陳, 陳安進 申請人:中國海洋大學;青島市市立醫院