專利名稱：一種基于cuda技術的仿真投影drr生成方法
技術領域：
本發明涉及醫學圖像配準領域，尤其涉及二維三維醫學圖像配準中的投影模型以及仿真投影(DRR)的生成方法。
背景技術：
計算機輔助的醫學手術是一個集醫學和計算機技術等諸多學科為一體的新型交叉研究領域。其目的是借助計算機以及跟蹤設備模擬手術中涉及的各個過程包括手術規劃，手術導航等來指導醫生實現高精度的外科手術。
醫學圖像配準是計算機輔助手術的關鍵技術。特別是在骨創傷導航手術中，通過二維三維圖像配準可以將術前的二維手術規劃數據和術中三維圖像匹配，進而完成三維圖像中手術規劃數據的重建，達到指導手術的目的。
二維三維圖像配準中，仿真投影(DRR)定義了當前三維圖像的位置。通過仿真投影和投影圖像比較，可以矯正三維圖像的位置最終達到和投影圖像的匹配。
圖像配準中，傳統的投影模型假設投影結構是一個正四面錐。并且X光源到投影平面的距離已知。待優化的參數是投影模型和三維圖像的空間位置關系，由三個旋轉參數和三個平移參數組成。這種模型對于骨創傷手術中的配準并不適用。首先，當三維圖像沿中心投影移動時會同時產生投影失真和尺度變化。這兩種變化的耦合會降低配準方法的魯棒性和精確度。
在生成DRR的過程中，需要進行大量的計算。這影響了配準過程的實時性。通過以CUDA為平臺的GPU硬件運算可以增強DRR生成的實時性。發明內容
為了克服由于投影模型帶來的配準魯棒性差和精度低的缺點。本發明提出了一種新的投影模型以及基于這個模型的仿真投影生成方法和基于CUDA平臺的實現。
根據本發明的一個方面，提出了應用于二維三維圖像配準的投影模型建立方法包括以下步驟
AOl 以三維圖像的中心為坐標原點建立笛卡爾坐標系即三維圖像坐標系XYZ，使得X，Y，Z軸分別與三維圖像中對應的外平面正交，記坐標原點為0 ；
A02 以三維圖像坐標系XYZ的原點為坐標原點建立笛卡爾坐標系即投影模型坐標系UVW，使得坐標軸U，V，W與坐標軸X，Y，Z分別保持一致，記坐標原點為ISO ；
A03 為投影模型建立一個X光源，X光源位于W軸正半軸上，距投影模型坐標系 UVff坐標原點ISO距離為Dl ；
A04 在接收器所在的平面為投影模型建立一個投影面；投影面正交于W軸；W軸與投影面的交點位于投影面幾何中心，且位于W軸負半軸；交點與投影模型坐標系UVW的原點ISO距離為D2 ；
A05 為投影模型建立一個虛擬投影面；虛擬投影面平行于投影面且中心通過投影模型坐標系UVW的坐標原點ISO ；
A06 將投影模型相對三維圖像的運動描述為投影模型坐標系UVW在三維圖像坐標系XYZ內的旋轉和平移，包括平面外繞U，V軸的旋轉Ru、Rv,平面內繞W軸的旋轉參數 Rw，平面內平移Tu、Tv即UVW在XYZ坐標系內沿UV平面的平移；這個運動記為xyzTuvw ；
權利要求
1. 一種基于CUDA技術的仿真投影DRR生成方法，其特征在于該方法包括如下步驟 A、建立投影模型，包括如下步驟AOl 以三維圖像的中心為坐標原點建立笛卡爾坐標系即三維圖像坐標系XYZ，使得X， Y，Z軸分別與三維圖像中對應的外平面正交，記坐標原點為0 ；A02 以三維圖像坐標系XYZ的原點為坐標原點建立笛卡爾坐標系即投影模型坐標系 UVff,使得坐標軸U，V，W與坐標軸X，Y，Z的方向分別保持一致，記坐標原點為ISO ；A03 為投影模型建立一個X光源，X光源位于W軸正半軸上，距投影模型坐標系UVW坐標原點ISO距離為Dl ；A04 為投影模型建立一個投影面；投影面與接收器共面、大小相等且方向相同；投影面正交于W軸；W軸與投影面的交點位于投影面幾何中心，且位于W軸負半軸；交點與投影模型坐標系UVW的原點ISO距離為D2 ；投影模型坐標系UVW的U軸和V軸分別與投影面的對應邊平行；A05 為投影模型建立一個虛擬投影面；虛擬投影面平行于投影面且中心通過投影模型坐標系UVW的坐標原點ISO ；A06 將投影模型相對三維圖像的運動描述為投影模型坐標系UVW在三維圖像坐標系 XYZ內的旋轉和平移，包括平面外繞U，V軸的旋轉Ru、Rv，平面內繞W軸的旋轉參數Rw，平面內平移Tu、Tv即UVW在XYZ坐標系內沿UV平面的平移；這個運動記為xyzT胃；
2.如權利要求1所述的DRR生成方法的流程，其特征在于其步驟有1)初始化CUDA；2)分配內存；3)傳輸三維圖像到顯卡設備；4)在顯卡設備中初始化MxN個線程，其中M和N代表輸出圖像維度；每一個線程對應著圖像上的一個像素；5)對投影面上每一像素求灰度值；6)輸出投影圖像到主程序。
全文摘要
一種基于CUDA技術的仿真投影DRR生成方法。上述方法包括建立一種新的投影模型；對二維圖像的每個像素點進行反投影；通過計算反投影線上三維圖像的灰度值之和，最終生成圖像配準所需的仿真投影圖像。并且在該模型的基礎上，本發明還提出了一種基于CUDA(Compute Unified Device Architecture，統一計算設備架構)技術的硬件加速方法。采用本發明所述方法，可以有效地消除投影失真和尺度變換之間的耦合，增強二維與三維圖像配準的魯棒性和精度，并且提高算法的實時性與效率。
文檔編號G06T15/50GK102542600SQ201110417500
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者賈克斌, 賈曉未, 魏嵬 申請人:北京工業大學