專利名稱：一種用于虛擬手術(shù)的體繪制成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬醫(yī)學(xué)圖像處理及應(yīng)用領(lǐng)域。涉及一種醫(yī)學(xué)圖像三維成像的體繪制方法，具體涉及一種用于虛擬手術(shù)的體繪制成像方法。
背景技術(shù)：
虛擬手術(shù)是醫(yī)學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。從技術(shù)角度講，是指用計(jì)算機(jī)技術(shù)，主要是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬、設(shè)計(jì)臨床外科手術(shù)過程。虛擬手術(shù)主要包括手術(shù)環(huán)境的重建和手術(shù)過程的模擬兩個(gè)部分。其中手術(shù)環(huán)境的重建是指以三維醫(yī)學(xué)圖像為基礎(chǔ)，建立病人手術(shù)部位的三維模型；手術(shù)過程的模擬是指利用前面建立的三維模型，在虛擬環(huán)境下模擬手術(shù)過程。虛擬手術(shù)的價(jià)值主要體現(xiàn)在醫(yī)生可以進(jìn)行任意的手術(shù)操作，而不會(huì)對(duì)病人造成任何創(chuàng)傷，同時(shí)，由于虛擬手術(shù)對(duì)象模型的數(shù)據(jù)來自病人自身，因此在虛擬手術(shù)過程中醫(yī)生觀察到的組織結(jié)構(gòu)、位置尺寸以及毗鄰關(guān)系等都與真實(shí)手術(shù)頗為相似。由于這些特點(diǎn)，醫(yī)生可借助利用虛擬手術(shù)制定合理的手術(shù)方案、選擇最佳的手術(shù)路徑，對(duì)于減小手術(shù)創(chuàng)傷、提高手術(shù)質(zhì)量具有十分重要的意義。
虛擬手術(shù)的基礎(chǔ)是對(duì)需要進(jìn)行手術(shù)的部位進(jìn)行三維成像。一般醫(yī)學(xué)圖像的三維成像方法主要分為兩大類表面繪制法和體繪制法。表面繪制法的成像原理是先從三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中抽取出待顯示對(duì)象的表面，然后用一些基本的幾何元素來表達(dá)這個(gè)表面，再用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖像學(xué)方法進(jìn)行顯示。表面繪制法的特點(diǎn)是顯式地建立對(duì)象模型，在對(duì)模型的操縱上可以使用傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的方法來實(shí)現(xiàn)。上述方法的一個(gè)最大缺點(diǎn)是在對(duì)象的表面模型中不包含對(duì)象的內(nèi)部信息。而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，無論是疾病的診斷還是手術(shù)方案的設(shè)計(jì)，都需要了解對(duì)象的內(nèi)部信息，因此表面繪制法不適合于虛擬手術(shù)。體繪制法的成像原理與表面繪制法相反，并不顯式地建立對(duì)象模型，而是直接從三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中，使用特定的成像方法，顯示對(duì)象包含的三維結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是在成像的同時(shí)保留了三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的全部信息，因此，適合于虛擬手術(shù)等臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但由于其沒有顯式地建立對(duì)象的三維模型，因此不能用傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的方法來操縱模型對(duì)象，進(jìn)行虛擬手術(shù)。
有文獻(xiàn)報(bào)道，B.Pflesser等人在《Computer Assisted Radiology and Surgery，Proc》(CARS 2000，Excerpta Medica International Congress Series 1214，Elsevier，Amsterdam，2000，607-612)上發(fā)表文章“Volume based planning and rehearsal ofsurgical interventions.”，其中，公開了一套虛擬手術(shù)算法和體繪制成像方法。該方法使用一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)場(chǎng)來標(biāo)記每個(gè)體素的分類，增加了內(nèi)存負(fù)擔(dān)，也增加了體繪制算法的復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種適合于虛擬手術(shù)的體繪制成像方法。
一般在體繪制成像過程中，不生成對(duì)象的幾何表達(dá)，因此不能用傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)的方法來操作模型對(duì)象。本發(fā)明以三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中的最基本單元——體素作為成像和虛擬手術(shù)操作的基本單元，通過對(duì)每個(gè)體素在觀察坐標(biāo)系中的坐標(biāo)判斷是否被虛擬切割等手術(shù)操作，對(duì)被切除的體素，將其體素的數(shù)據(jù)值作區(qū)段移位，來標(biāo)記其被切除。其中，對(duì)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中的對(duì)象進(jìn)行成像和虛擬切割等手術(shù)操作時(shí)，不構(gòu)造數(shù)據(jù)場(chǎng)中對(duì)象的三維幾何模型。
本發(fā)明使用計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)和鍵盤作為虛擬切割等手術(shù)操作的人機(jī)接口，用體素的坐標(biāo)變換確定體數(shù)據(jù)中的切割范圍，用體素?cái)?shù)據(jù)值的區(qū)段移位進(jìn)行標(biāo)記切割過程，建立了一種適合于虛擬手術(shù)操作的體繪制成像方法。本發(fā)明方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成像對(duì)象的任意形狀和深度的切割，而且可以對(duì)切割進(jìn)行恢復(fù)和重新操作。
本發(fā)明方法通過下述步驟實(shí)現(xiàn)，(1)使用鼠標(biāo)和鍵盤作為虛擬切割等手術(shù)操作的人機(jī)接口、體數(shù)據(jù)的任意切割是對(duì)臨床手術(shù)的模擬，是一個(gè)人機(jī)互動(dòng)的過程。本發(fā)明的任意切割的人機(jī)接口是在電腦屏幕上顯示體繪制的結(jié)果圖像，用鼠標(biāo)劃定切割范圍，用鍵盤輸入切割深度；通過三維數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行任意角度的觀察，可以把從不同方向觀察得到的成像結(jié)果顯示在屏幕上，也就可以從任意方向進(jìn)行切割。
從人機(jī)接口得到的對(duì)虛擬切割的輸入實(shí)際上是一個(gè)觀察平面上的切割范圍和一個(gè)沿觀察方向上的切割深度。在觀察坐標(biāo)系中，切除部分為柱體，所述柱體與觀察平面相交的截面是鼠標(biāo)劃定的范圍，柱體側(cè)表面由垂直于觀察平面的線段組成，線段長(zhǎng)度為切割深度。在世界坐標(biāo)系中，柱體形狀不變，但方向是任意的。
(2)用體素的坐標(biāo)變換確定體數(shù)據(jù)中的切割范圍在虛擬手術(shù)中，需要對(duì)切割結(jié)果進(jìn)行三維觀察，因此需判斷體數(shù)據(jù)中將被切除的體素，對(duì)所述體素進(jìn)行標(biāo)記，以便在后續(xù)成像過程中不再顯示所述體素。
一般確定切除體素可以以世界坐標(biāo)(體素在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo))為準(zhǔn)，也可以以觀察坐標(biāo)(體素在觀察坐標(biāo)系中的坐標(biāo))為準(zhǔn)。其中以世界坐標(biāo)為準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行一次掃描，依次判斷各個(gè)體素是否在切割范圍內(nèi)，但在三維任意形狀的切割中，由于表示切除部分的柱體在世界坐標(biāo)系中可以是任意方向的，而且柱體表面呈不規(guī)則形狀，故判斷某點(diǎn)是否落在切割柱體內(nèi)存在困難。
本發(fā)明方法提供以觀察坐標(biāo)系坐標(biāo)值為依據(jù)的判斷方法。所述方法也只需對(duì)數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行一次掃描，然后用坐標(biāo)變換把各個(gè)體素在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變換成在觀察坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，再依據(jù)所得的坐標(biāo)值判斷某體素是否處在切割范圍內(nèi)。結(jié)合數(shù)據(jù)場(chǎng)切割范圍示意圖，其中，在觀察坐標(biāo)系中切割柱體垂直于觀察平面，設(shè)一個(gè)點(diǎn)在觀察坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x′，y′，z′)，則該點(diǎn)處于切割柱體中需要滿足兩個(gè)條件第一是二維坐標(biāo)點(diǎn)(x′，y′)在觀察平面上落在鼠標(biāo)劃定的切割范圍內(nèi)，第二是z′小于切割深度。如果滿足上述兩個(gè)條件，則體素(x′，y′，z′)落在切割柱體內(nèi)，否則就不在切割柱體內(nèi)。
(3)用體素?cái)?shù)據(jù)值的區(qū)段移位標(biāo)記切割過程在確定切除范圍內(nèi)的體素后，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記。
實(shí)現(xiàn)標(biāo)記的最簡(jiǎn)單方法是把被切除部分的數(shù)據(jù)值清空。但在虛擬手術(shù)中，為了詳細(xì)觀察切割效果，常需要恢復(fù)前面已切除的部分，再重新選擇更適合的切割位置，故，為了不丟失被切除部分的數(shù)據(jù)信息，可為體數(shù)據(jù)中的體素設(shè)置標(biāo)記位，但醫(yī)學(xué)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)量極大，無疑會(huì)大大增加內(nèi)存負(fù)擔(dān)，并影響程序運(yùn)行速度，增加臨床應(yīng)用的難度。
本發(fā)明方法采用用區(qū)段移位法實(shí)現(xiàn)切除體素的標(biāo)記，在不增加內(nèi)存負(fù)擔(dān)和體繪制計(jì)算復(fù)雜度的情況下，實(shí)現(xiàn)體素的標(biāo)記，并對(duì)所做的切割進(jìn)行選擇性的恢復(fù)。所述區(qū)段移位法是根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像的特點(diǎn)，原始三位數(shù)據(jù)場(chǎng)數(shù)據(jù)值有一個(gè)已知的取值范圍，設(shè)處在Min和Max之間，則原始數(shù)據(jù)分布在一個(gè)寬度為Max-Min+1的區(qū)間范圍內(nèi)。利用原始數(shù)據(jù)的區(qū)間性，每次切割把被切除部分的數(shù)據(jù)值做整個(gè)區(qū)間的移動(dòng)。經(jīng)過切割操作后，用體素?cái)?shù)據(jù)值所處的區(qū)間來標(biāo)記其切割狀態(tài)，所處區(qū)間內(nèi)的偏移量表示其原始數(shù)據(jù)值。設(shè)某一點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)值為Go，如果它在第k次切割操作中被切除，那么它的新灰度值Gc為Gc＝Go+(Max-Min+1)k而如果要對(duì)第k次切除進(jìn)行恢復(fù)，則進(jìn)行如下計(jì)算
其中Gpr為恢復(fù)得到的p點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)值，Gpc為恢復(fù)前p點(diǎn)的數(shù)據(jù)值。
用上法對(duì)切割進(jìn)行標(biāo)記后，在體數(shù)據(jù)中可以簡(jiǎn)單地判斷某一點(diǎn)是否被切除，對(duì)被切除的部分也可以簡(jiǎn)單地區(qū)分是被第幾次切割操作切除，經(jīng)試驗(yàn)，本方法不但可對(duì)任意一次切割進(jìn)行恢復(fù)，而且可以對(duì)某次被切下的部分進(jìn)行單獨(dú)成像、三維觀察及其它處理。
使用本發(fā)明提供的新的適合于虛擬手術(shù)的體繪制成像方法，利用臨床CT或MRI等影像數(shù)據(jù)，在體繪制成像顯示的人體三維模型上，醫(yī)生可以用鼠標(biāo)模擬手術(shù)刀，完成任意形狀和深度的切割，完成虛擬手術(shù)的操作，顯示切割結(jié)果。同時(shí)，可以快速地恢復(fù)或重做。


圖1是數(shù)據(jù)場(chǎng)切割范圍確定示意圖，其中，觀察平面X′-Y′上的黑色長(zhǎng)方形為觀察平面上的切割范圍，切割深度由用戶輸入，體數(shù)據(jù)與圖中陰影所表示的長(zhǎng)方體相交的部分即將切除的部分。
圖2是人頭部體繪制成像結(jié)果。
圖3是用鼠標(biāo)劃定切割范圍，如圖中深色區(qū)域所示。
圖4是實(shí)施虛擬切割后的體繪制成像結(jié)果。
圖5是切割后，從其他角度觀察的體繪制成像結(jié)果。
圖6是取消切割后的體繪制成像結(jié)果。
圖7是取消切割后從其他角度觀察的體繪制成像結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容，提供以下實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步陳述。
實(shí)施例1人體頭部CT數(shù)據(jù)的體繪制成像和虛擬手術(shù)。
1)，使用頭部CT圖像，用體繪制的方法顯示人頭部的三維圖像。原始圖像的分辨率為512×512×100，讀入原始數(shù)據(jù)并構(gòu)建三維數(shù)據(jù)場(chǎng)后，將每個(gè)體素?cái)?shù)據(jù)值的取值范圍限定在-1000～999，并進(jìn)行體繪制成像；2)，采用“步驟1”的方法給出切割范圍的輸入。使用鼠標(biāo)，在三維圖像上勾畫一個(gè)條封閉曲線，作為切割范圍；用鍵盤輸入切割深度100，深度單位為毫米；3)，采用“步驟2”的方法，確定體數(shù)據(jù)中的切割范圍。掃描整個(gè)三位數(shù)據(jù)場(chǎng)，使用空間變換方法，將數(shù)據(jù)場(chǎng)中每個(gè)體素的坐標(biāo)變換到觀察坐標(biāo)系當(dāng)中，并根據(jù)體素在觀察坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，判斷該體素是否應(yīng)該被切除，從而找出切割范圍；4)，采用“步驟3”的方法，對(duì)被切除的體素進(jìn)行標(biāo)記。對(duì)上一步驟中判斷為切除的體素，將該體素的數(shù)據(jù)值做區(qū)段移位，即數(shù)據(jù)值加2000，標(biāo)記切割范圍；5)，完成對(duì)所有切除體素?cái)?shù)據(jù)值的區(qū)段移位后，重新進(jìn)行體繪制三維成像。結(jié)果顯示指定范圍內(nèi)的組織被切除，不再顯示；6)，采用“步驟3”的方法，對(duì)切割進(jìn)行恢復(fù)。結(jié)果顯示與初始成像相同的完整的頭部三維圖像。
本實(shí)施例使用臨床CT數(shù)據(jù)，完成了對(duì)病人的虛擬切割以及切割的恢復(fù)。在Dellprecision工作站(2.8G CPU)上，切割操作可以在5秒鐘內(nèi)完成，恢復(fù)切割操作可以在2秒鐘內(nèi)完成。
權(quán)利要求
1.一種用于虛擬手術(shù)的體繪制成像方法，其特征在于，以三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中的體素作為成像和虛擬手術(shù)操作的基本單元，通過對(duì)每個(gè)體素在觀察坐標(biāo)系中的坐標(biāo)判斷是否被虛擬切割，其中，對(duì)被切除的體素，將其數(shù)據(jù)值作區(qū)段移位進(jìn)行標(biāo)記。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于虛擬手術(shù)的體繪制成像方法，其特征是，其中對(duì)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中的對(duì)象進(jìn)行成像和虛擬切割手術(shù)操作時(shí)，不構(gòu)造數(shù)據(jù)場(chǎng)中對(duì)象的三維幾何模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于虛擬手術(shù)的體繪制成像方法，其特征是包括下述步驟，(1)使用鼠標(biāo)和鍵盤作為虛擬切割等手術(shù)操作的人機(jī)接口；(2)用體素的坐標(biāo)變換確定體數(shù)據(jù)中的切割范圍，進(jìn)行三維任意切割時(shí)，對(duì)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行掃描，將每個(gè)體素的坐標(biāo)值變換到觀察坐標(biāo)系中，根據(jù)其中的坐標(biāo)值判斷原來數(shù)據(jù)場(chǎng)中的體素是否被切；(3)用體素?cái)?shù)據(jù)值的區(qū)段移位標(biāo)記切割過程，通過對(duì)被切除體素的數(shù)據(jù)值作區(qū)段移位，標(biāo)記其被切除，所述數(shù)據(jù)值作區(qū)段移位操作算式為Gc＝Go+(Max-Min+1)k其中，Gc為該體素新的數(shù)據(jù)值，Go為該體素的原始數(shù)據(jù)值，Max為數(shù)據(jù)場(chǎng)所有體素中數(shù)據(jù)值的最大值，Min為數(shù)據(jù)場(chǎng)所有體素中數(shù)據(jù)值的最小值，k為切割次序，需恢復(fù)時(shí)，算式為 其中Gpr為恢復(fù)得到的p點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)值，Gpc為恢復(fù)前p點(diǎn)的數(shù)據(jù)值。
全文摘要
本發(fā)明屬醫(yī)學(xué)圖像處理及應(yīng)用領(lǐng)域。涉及一種醫(yī)學(xué)圖像三維成像的體繪制方法，具體涉及一種用于虛擬手術(shù)的體繪制成像方法。本發(fā)明以三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中的最基本單元——體素作為成像和虛擬手術(shù)操作的基本單元，用體素的坐標(biāo)變換確定體數(shù)據(jù)中的切割范圍，用體素?cái)?shù)據(jù)值的區(qū)段移位進(jìn)行標(biāo)記切割過程，本發(fā)明方法不僅使醫(yī)生可以用鼠標(biāo)模擬手術(shù)刀實(shí)現(xiàn)對(duì)成像對(duì)象的任意形狀和深度的切割，完成虛擬手術(shù)的操作，顯示切割結(jié)果，而且可以對(duì)切割進(jìn)行恢復(fù)和重新操作。
文檔編號(hào)G06T11/00GK1581233SQ20041001856
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者宋志堅(jiān), 王滿寧, 李文生, 謝震中, 杜文健 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)