專利名稱：空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法
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，具體涉及一種空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法。
背景技術(shù)：
目前，利用CT、MRI等醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)，對(duì)空腔管道性臟器內(nèi)壁進(jìn)行三維可視化重建主要采用的是虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)。這一技術(shù)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)勢(shì)在于克服了傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡需把內(nèi)窺鏡體插入人體內(nèi)的缺點(diǎn)，是一種完全無接觸式的檢查方法?，F(xiàn)有的虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)的缺點(diǎn)是觀察角度仍然局限于內(nèi)窺，視角有限，無法對(duì)臟器的解剖形態(tài)進(jìn)行整體地觀察，對(duì)病灶的定位不夠直觀，對(duì)病灶處臟器外部的情況亦無法了解。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Vilanova Bartroli，A.V等在Visualization，2001.VIS’01.Proceedings(2001年可視化會(huì)議)(2001年10月21-26日，第411-579頁)上發(fā)表的“Nonlinear virtual colon unfolding”(非線性虛擬結(jié)腸展開)和G.Wang等在In Proceedings SPIE(國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)國(guó)際會(huì)議)(1999年5月第3660卷第125-132頁)上發(fā)表的“Colonunraveling based on electrical fieldRecent progress and further work”(基于電場(chǎng)的結(jié)腸拆開最新進(jìn)展和今后的工作)，兩篇文章分別提出了將空腔性臟器進(jìn)行虛擬展平后再進(jìn)行觀察的方案。這兩種方案的方法都是將空腔性臟器虛擬拆開并展平至一個(gè)平面上，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)臟器的內(nèi)壁從外部視角進(jìn)行觀察。其不足在于利用他們的方法在對(duì)臟器內(nèi)壁進(jìn)行展平重建的過程中，臟器的內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生形變，特別是在一些臟器幾何形狀不規(guī)則或彎曲的區(qū)域，形變更為嚴(yán)重，從而影響診斷的可靠性，并且展平重建結(jié)果破壞了臟器原本的幾何結(jié)構(gòu)，使得診斷不夠直觀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)和Vilanova Bartroli，A.V等、G.Wang等所設(shè)計(jì)的方案的不足，提出了一種空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法，使其既可觀察到結(jié)腸的整體解剖形態(tài)，又可以對(duì)內(nèi)壁細(xì)微的病變進(jìn)行診斷和觀察，并對(duì)病灶進(jìn)行精確地定位。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明首先獲取醫(yī)學(xué)原始圖像，將圖像進(jìn)行預(yù)處理并分割后，再分別提取出所需空腔性臟器的內(nèi)壁表面和供外翻處理的基準(zhǔn)面，然后將內(nèi)壁表面的數(shù)據(jù)以鏡像的方式外翻至基準(zhǔn)面外側(cè)，最后將外翻處理后的臟器內(nèi)壁表面以交互式的方式三維顯示出來，供用戶從外部的視角進(jìn)行觀察。
所述的獲取醫(yī)學(xué)原始圖像，是指利用CT、MRI等醫(yī)學(xué)成像手段，來獲得包含待可視化重建臟器的醫(yī)學(xué)圖像。圖像可以是斷層圖像，也可以直接為三維體數(shù)據(jù)。
所述的將圖像進(jìn)行預(yù)處理并分割，是指對(duì)原始圖像進(jìn)行必要的濾波及插值，去除圖像的噪聲。并采取各種適合的圖像分割的方法，將空腔性臟器從原始圖像中進(jìn)行分割處理。對(duì)于比較容易分割的情況，分割可以利用相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分割。如果自動(dòng)分割不能實(shí)現(xiàn)，則可以采取結(jié)合手動(dòng)或完全手動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分割。
所述的提取出所需空腔性臟器的內(nèi)壁表面，是指利用已分割后的圖像數(shù)據(jù)，采取移動(dòng)立方體算法或其它表面繪制的方法，得到臟器內(nèi)壁表面的詳細(xì)數(shù)據(jù)。
所述的提取出所需空腔性臟器的供外翻處理的基準(zhǔn)面，是指同樣利用已分割后的圖像數(shù)據(jù)，通過再一次提取，繪制出一個(gè)用于外翻的基準(zhǔn)面。這個(gè)基準(zhǔn)面必須較為平滑，且能代表待重建臟器的實(shí)際解剖形態(tài)，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，采取不同的提取方法。對(duì)于外壁較薄且容易分割的臟器，可以提取出此外壁表面，作為外翻基準(zhǔn)面；對(duì)于外壁表面形狀不規(guī)則或難于分割的臟器，可以采取平滑處理后的內(nèi)壁表面或利用尺度較大的立方體進(jìn)行表面繪制后得到的內(nèi)壁表面數(shù)據(jù)，用來作為外翻基準(zhǔn)面；對(duì)于壁比較厚的臟器，也可以將內(nèi)壁表面和外壁表面的中心點(diǎn)作為外翻基準(zhǔn)面。
所述的將內(nèi)壁表面的數(shù)據(jù)以鏡像的方式外翻至基準(zhǔn)面外側(cè)，是指將所提取得到的臟器內(nèi)壁表面數(shù)據(jù)，沿著外翻基準(zhǔn)面法線方向，鏡面映射到基準(zhǔn)面的另一側(cè)，并重新繪制出外翻后的表面數(shù)據(jù)。
所述的將外翻處理后的臟器內(nèi)壁表面以交互式的方式三維顯示出來，是指將外翻后的表面，進(jìn)行三維可視化顯示。觀察視角位于外部，并可由用戶任意選取。
本發(fā)明相對(duì)于一般的虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)以及虛擬展開可視化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于1、視角更為開擴(kuò)和靈活，診斷時(shí)既可以把握該臟器的整體解剖形態(tài)，又能觀察到內(nèi)壁細(xì)微的結(jié)構(gòu)特征。2、對(duì)病灶處的定位更為直觀和準(zhǔn)確。3、診斷時(shí)可以直觀地將空腔性臟器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)同外部的組織和器官相聯(lián)系。4、不會(huì)對(duì)內(nèi)壁的形態(tài)結(jié)構(gòu)帶來較大形變，保證診斷上的準(zhǔn)確。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明方法具體步驟如下(1)獲取醫(yī)學(xué)原始圖像。(2)將圖像進(jìn)行預(yù)處理并分割。(3)提取臟器內(nèi)壁表面。(4)提取外翻基準(zhǔn)面。(5)對(duì)臟器內(nèi)壁表面數(shù)據(jù)進(jìn)行外翻處理。(6)交互式顯示。以下結(jié)合一個(gè)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
該實(shí)施例采用人體結(jié)腸作為可視化重建的樣本。整個(gè)發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程如下1.對(duì)人體的下腹部進(jìn)行CT成像，獲得CT斷層圖像數(shù)據(jù)。
2.對(duì)斷層圖像進(jìn)行必要的濾波處理，包括高斯濾波和中值濾波，除去噪聲。
利用區(qū)域生長(zhǎng)算法，從斷層圖像中分割出結(jié)腸內(nèi)部的空腔部分，這部分?jǐn)?shù)據(jù)用來繪制內(nèi)壁表面。然后，再利用局部閾值的方法，并可結(jié)合手工選取，分割出結(jié)腸壁的數(shù)據(jù)，用來繪制外壁表面。
3.對(duì)分割出的結(jié)腸空腔圖像，采用移動(dòng)立方體算法，繪制出精細(xì)的結(jié)腸內(nèi)壁的表面。這一表面可供用戶以傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡的角度從內(nèi)部進(jìn)行觀察，需進(jìn)一步處理，才可達(dá)到外視的效果。
4.對(duì)分割出的結(jié)腸壁的圖像，同樣采用移動(dòng)立方體算法，并精簡(jiǎn)所得到的三角面片，繪制出比較平滑的結(jié)腸外壁的表面。此結(jié)腸外壁表面的圖像，即可作為外翻的基準(zhǔn)面。
5.將所獲得的結(jié)腸內(nèi)壁表面的每一點(diǎn)沿著基準(zhǔn)面法線方向，以結(jié)腸外壁表面上的點(diǎn)為基準(zhǔn)，鏡面映射到結(jié)腸外壁表面的另一側(cè)。這樣，內(nèi)壁的表面就完全虛擬外翻到了外壁的外側(cè)，即可用外部視角對(duì)這一表面進(jìn)行觀察。
6.將映射后已處在外側(cè)的內(nèi)表面重新繪制，加入光照渲染，并以交互的方式顯示出來。用戶可以任意改換視角，對(duì)這一表面從外部進(jìn)行觀察。
這樣的實(shí)施方式，可以重建出虛擬外翻后的結(jié)腸可視化效果。這樣如同將口袋的內(nèi)面向外翻出，結(jié)腸的內(nèi)壁即可在外表面虛擬顯示出來。用戶能夠靈活地改變不同的視角，既可觀察到結(jié)腸的整體解剖形態(tài)，又可以對(duì)內(nèi)壁細(xì)微的病變進(jìn)行診斷和觀察，并對(duì)病灶進(jìn)行精確地定位。
權(quán)利要求
1.一種空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法，其特征在于首先獲取醫(yī)學(xué)原始圖像，將圖像進(jìn)行預(yù)處理并分割后，再分別提取出所需空腔性臟器的內(nèi)壁表面和供外翻處理的基準(zhǔn)面，然后將內(nèi)壁表面的數(shù)據(jù)以鏡像的方式外翻至基準(zhǔn)面外側(cè)，最后將外翻處理后的臟器內(nèi)壁表面以交互式的方式三維顯示出來，供用戶從外部的視角進(jìn)行觀察。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法，其特征是，所述的獲取醫(yī)學(xué)原始圖像，是指利用CT、MRI醫(yī)學(xué)成像手段，來獲得包含待可視化重建臟器的醫(yī)學(xué)圖像，圖像是斷層圖像，或直接為三維體數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法，其特征是，所述的將圖像進(jìn)行預(yù)處理并分割，是指對(duì)原始圖像進(jìn)行濾波及插值，去除圖像的噪聲，并將空腔性臟器從原始圖像中進(jìn)行分割處理，分割利用相應(yīng)的算法進(jìn)行自動(dòng)分割，或者采取結(jié)合手動(dòng)或完全手動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分割。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法，其特征是，所述的提取出所需空腔性臟器的內(nèi)壁表面，是指利用已分割后的圖像數(shù)據(jù)，采取移動(dòng)立方體算法，得到臟器內(nèi)壁表面的詳細(xì)數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法，其特征是，所述的提取出所需空腔性臟器的供外翻處理的基準(zhǔn)面，是指同樣利用已分割后的圖像數(shù)據(jù)，通過再一次提取，繪制出一個(gè)用于外翻的基準(zhǔn)面，這個(gè)基準(zhǔn)面必須平滑，且能代表待重建臟器的實(shí)際解剖形態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者5所述的空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法，其特征是，所述的提取出所需空腔性臟器的供外翻處理的基準(zhǔn)面，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的提取方法，即對(duì)于外壁較薄且容易分割的臟器，提取出此外壁表面，作為外翻基準(zhǔn)面；對(duì)于外壁表面形狀不規(guī)則或難于分割的臟器，采取平滑處理后的內(nèi)壁表面或利用大尺度的立方體進(jìn)行表面繪制后得到的內(nèi)壁表面數(shù)據(jù)，用來作為外翻基準(zhǔn)面；對(duì)于壁厚的臟器，將內(nèi)壁表面和外壁表面的中心點(diǎn)作為外翻基準(zhǔn)面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法，其特征是，所述的將內(nèi)壁表面的數(shù)據(jù)以鏡像的方式外翻至基準(zhǔn)面外側(cè)，是指將所提取得到的臟器內(nèi)壁表面數(shù)據(jù)，沿著外翻基準(zhǔn)面法線方向，鏡面映射到基準(zhǔn)面的另一側(cè)，并重新繪制出外翻后的表面數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法，其特征是，所述的將外翻處理后的臟器內(nèi)壁表面以交互式的方式三維顯示出來，是指將外翻后的表面，進(jìn)行三維可視化顯示，觀察視角位于外部，由用戶任意選取。
全文摘要
一種空腔性臟器內(nèi)壁虛擬外翻式三維外視化方法，屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先獲取醫(yī)學(xué)原始圖像，將圖像進(jìn)行預(yù)處理并分割后，再分別提取出所需空腔性臟器的內(nèi)壁表面和供外翻處理的基準(zhǔn)面，然后將內(nèi)壁表面的數(shù)據(jù)以鏡像的方式外翻至基準(zhǔn)面外側(cè)，最后將外翻處理后的臟器內(nèi)壁表面以交互式的方式三維顯示出來，供用戶從外部的視角進(jìn)行觀察。本發(fā)明優(yōu)勢(shì)在于視角更為開擴(kuò)和靈活，診斷時(shí)既可以把握該臟器的整體解剖形態(tài)，又能觀察到內(nèi)壁細(xì)微的結(jié)構(gòu)特征；對(duì)病灶處的定位更為直觀和準(zhǔn)確；診斷時(shí)可以直觀地將空腔性臟器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)同外部的組織和器官相聯(lián)系；不會(huì)對(duì)內(nèi)壁的形態(tài)結(jié)構(gòu)帶來較大形變，保證診斷上的準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)A61B5/055GK1850005SQ20061002666
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月18日
發(fā)明者趙俊, 曹立基, 莊天戈 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)