專利名稱：一種面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
經(jīng)過十幾年的發(fā)展，醫(yī)學(xué)可視化已經(jīng)從輔助診斷發(fā)展成為輔助治療的重要手 段，并將深入到各個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。70年代以后，通過計算機X射線斷層投影(CT)、 核磁共振(MRI)以及超聲波等醫(yī)學(xué)成像技術(shù)得到的二維數(shù)字?jǐn)鄬訄D像序列中，己 包含了人體內(nèi)各種器官的三維信息，但是僅僅依靠這種二維數(shù)字?jǐn)鄬訄D像卻很難 直觀地體現(xiàn)或確定物體的三維結(jié)構(gòu)以及它們相互之間的關(guān)系。而醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)可視 化就是運用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，在三維空間中將醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)生成為人 體器官或組織的三維圖像，從而在屏幕上形象逼真地顯示人體組織內(nèi)部的復(fù)雜結(jié) 構(gòu)。這樣，醫(yī)生可以通過人機交互對該三維圖像進行縮放、旋轉(zhuǎn)、位移、切片處 理、多層顯示、分割、提取組織器官等一系列操作，幫助醫(yī)生做出準(zhǔn)確的診斷和 制定正確的手術(shù)方案。由于人體的三維信息在醫(yī)學(xué)診斷治療等許多臨床領(lǐng)域所具 有的特殊應(yīng)用價值，近年來三維醫(yī)學(xué)圖像的可視化技術(shù)受到人們越來越多的關(guān)注。 三維醫(yī)學(xué)圖像可視化技術(shù)中的一種重要方法是直接體繪制技術(shù)，較傳統(tǒng)的 面繪制而言，體繪制表達了人體內(nèi)部的組織信息，因此具有高度的保真性，己經(jīng) 成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)可視化領(lǐng)域的一個研究熱點。然而在通常的醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)繪制過程中， 由于計算量很大，因此存在圖像生成速度慢、實時性難以保證等缺點。近年來， 隨著計算機運算能力的增強和硬件技術(shù)的發(fā)展，研究者提出了利用可編程管線的 圖形處理器(GPU)的并行計算能力來提高體繪制的速度，從而使繪制速度接近實 時。
另一方面，在醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)體繪制的研究領(lǐng)域中，由于許多醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)集將不同的人體組織用相同的標(biāo)量值來表示，使得我們關(guān)心的組織被一些不重要的組織所 遮擋，例如，在核磁共振成像數(shù)據(jù)集中，腦組織被具有相同標(biāo)量值范圍的皮膚和 脂肪組織所包圍，如果利用傳遞函數(shù)將代表腦組織的標(biāo)量值設(shè)為不透明，那么周 圍的軟組織也將被設(shè)不透明，以至于在可視化之后大腦仍然會被周圍的軟組織遮 擋。而這種遮擋很難通過設(shè)計傳遞函數(shù)的方法來解決。再者設(shè)計傳輸函數(shù)是一件 非常繁瑣耗時的工作，通常并不能滿足臨床應(yīng)用的需要。因此，如何將醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù) 中我們感興趣的組織區(qū)域快速剝離出來并進行實時繪制已經(jīng)成為一個亟待解決的 重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)不同組織間的遮擋問題，計算復(fù)雜、準(zhǔn)確性低、不 能滿足臨床應(yīng)用的要求的不足，本發(fā)明提供一種有效解決不同組織間的遮擋問題、 計算簡單、準(zhǔn)確性高、能滿足臨床應(yīng)用的要求的面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制
方法及其系統(tǒng)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制方法，所述的分層剝離方法包括以下步
驟
1) 、導(dǎo)入醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)；
2) 、利用光線投射算法，沿光線方向?qū)w數(shù)據(jù)采樣，通過計算相鄰的不透明度極 小值和極大值之間的斜率，并根據(jù)用戶指定的斜率閾值和累積不透明度閾值確定 分層點，包括
(2.1) 、沿光線尋找具有不透明度極小值的采樣點A，并記錄采樣點A的位
置Pa以及不透明度值A(chǔ)a;
(2.2) 、沿光線尋找A點之后的第一個具有不透明度極大值的采樣點B，并
記錄B點的位置Pb以及不透明度值A(chǔ)b;(2.3) 、根據(jù)公式仏=(Ab - Aa) / (Pb - Pa)計算采樣點A、 B之間的斜
率Z朋；
(2.4) 、由用戶指定一個斜率閾值L;
(2.5) 、比較^與L:僅當(dāng)^^L時，將采樣點A點作為一個分層點；
(2.6) 、否則，轉(zhuǎn)(2.1)，繼續(xù)尋找能夠滿足分層要求的采樣點；
3)、從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進行直接體繪制，
包括
(3.1) 、在分層點處將累計不透明度4'重置為零；
(3.2) 、根據(jù)公式^ =4-14 ，對該分層點之后的每個采樣點 進行不透明度累加；
(3.3) 、指定累積不透明度閾值」_acc，當(dāng)4'>」—"cc時，當(dāng)前分層結(jié)束繪制。 一種面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制系統(tǒng)，所述體繪制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入
模塊，用于導(dǎo)入醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)；分層點確定模塊，用于利用光線投射算法，沿光線 尋找具有不透明度極小值的采樣點A，并記錄采樣點A的位置Pa以及不透明度 值A(chǔ)a;沿光線尋找A點之后的第一個具有不透明度極大值的采樣點B，并記錄B 點的位置Pb以及不透明度值A(chǔ)b;根據(jù)公式~= (Ab - Aa) / (Pb - Pa) 計算采
樣點A、 B之間的斜率^s;由用戶指定一個斜率閾值L;比較^與L:僅當(dāng)^〉L 時，將采樣點A點作為一個分層點，否則繼續(xù)尋找能夠滿足分層要求的采樣點； 體繪制模塊，用于從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進 行直接體繪制，在分層點處將累計不透明度4'重置為零，根據(jù)公式
4 二4.i+a-^.i) 4 ，對該分層點之后的每個采樣點進行不透明度累加，指
定累積不透明度閾值^4—acc，當(dāng)4'>^—acc時，當(dāng)前分層結(jié)束繪制。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為導(dǎo)入需要分層顯示的醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)；利用光線投射算法沿光線方向?qū)w數(shù)據(jù)進行采樣，通過計算相鄰的不透明度極小值和極大值之間的
斜率，并根據(jù)用戶指定的斜率閾值確定分層點；從每條光線上不同組織的分層點
處開始，沿光線方向?qū)Σ蓸狱c進行融合，直到累積不透明度超過用戶指定閾值。 本發(fā)明的有益效果是實現(xiàn)對人體中的不同組織進行快速剝離并且分層繪制，
可以在臨床應(yīng)用等對時間有嚴(yán)格要求的情況下來解決人體中不同組織之間的遮擋
問題，這樣能夠免去反復(fù)修改傳遞函數(shù)的繁瑣，同時在這個過程中不需要或者盡
可能少的要求用戶干預(yù)。


圖1是面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。 圖2是分層剝離體繪制方法的程序簡要流程圖。
圖3是不透明度曲線。 圖4是判斷分層點的示意圖。 圖5是分層剝離算法的程序流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。 實施例1
參照圖1 圖7， 一種面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制方法，所述分層剝離方
法包括以下步驟
1) 、導(dǎo)入醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)；
2) 、利用光線投射算法，沿光線方向?qū)w數(shù)據(jù)采樣，通過計算相鄰的不透明度極 小值和極大值之間的斜率，并根據(jù)用戶指定的斜率閾值和累積不透明度閾值確定 分層點，包括
(2.1)、沿光線尋找具有不透明度極小值的采樣點A，并記錄采樣點A的位 置Pa以及不透明度值A(chǔ)a;(2.2) 、沿光線尋找A點之后的第一個具有不透明度極大值的采樣點B，并 記錄B點的位置Pb以及不透明度值A(chǔ)b;
(2.3) 、根據(jù)公式~= (Ab-Aa) / (Pb-Pa)計算采樣點A、 B之間的斜
率U ;
(2.4) 、由用戶指定一個斜率閾值L;
(2.5) 、比較^與L:僅當(dāng)^》L時，將采樣點A點作為一個分層點；
(2.6) 、否則，轉(zhuǎn)(2.1)，繼續(xù)尋找能夠滿足分層要求的采樣點；
3)、從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進行直接體繪制，
包括
(3.1) 、在分層點處將累計不透明度4'重置為零；
(3.2) 、根據(jù)公式^ 二」m十(1-4.1) 4 ，對該分層點之后的每個采樣點 進行不透明度累加；
(3.3) 、指定累積不透明度閾值」_flcc，當(dāng)4'〉^一acc時，當(dāng)前分層結(jié)束繪制。 圖1中，分層剝離方法系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖是本方法的總體方案，數(shù)據(jù)導(dǎo)入部分
使用。++語言實現(xiàn)，分層剝離算法部分利用Cg語言編寫，整個程序在VC平臺
上實現(xiàn)。
圖2中，面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制方法的步驟有首先導(dǎo)入醫(yī)學(xué)體數(shù) 據(jù)，然后沿光線方向確定不同組織的分層點，最后在每條光線的這些分層點處開 始利用光線投射算法進行直接體繪制。
在上述的分層剝離體繪制方法的步驟中，如何確定不同組織的分層點是該方 法的核心步驟。由于光線投射算法中每一條穿過體數(shù)據(jù)場的光線會對經(jīng)過的所有 點進行采樣，這些采樣點的不透明度呈連續(xù)性變化，這種變化可以由圖3所示曲 線表示，處在同種組織中采樣點的不透明度變化不大，但在不同類型組織的分界 處不透明度會有較大的變化，因此不同組織的分界點必定會出現(xiàn)在不透明度變化
8較快的區(qū)域。處于波谷處的采樣點具有不透明度的極小值，稱這種采樣點為極小 采樣點，本文方法在一條光線上的極小采樣點中尋找不同組織的分層點。
圖4為判斷分層點的示意圖，通過指定閾值丄來判斷不透明度變化是否足夠 快。具體判定方法如下首先沿光線尋找具有不透明度極小值的采樣點A，并記 錄采樣點A的位置Pa以及不透明度值A(chǔ)a;沿光線尋找A點之后的第一個具有不 透明度極大值的采樣點B，并記錄B點的位置Pb以及不透明度值A(chǔ)b;根據(jù)公式 U= (Ab-Aa) / (Pb-Pa)計算采樣點A、 B之間的斜率Ls ;比較^與Z:僅
當(dāng)^〉丄時，將采樣點A點作為一個分層點；否則，繼續(xù)尋找能夠滿足分層要求
的釆樣點。
分層剝離算法算法的程序流程圖如圖5所示。程序主要由兩部分組成，頂點 程序和片段程序。其中頂點程序僅用于坐標(biāo)的變換，并將紋理坐標(biāo)、變換后的頂 點坐標(biāo)以及頂點的顏色輸出給片段程序。分層剝離算法部分由片段程序來完成， 首先沿著光線進行采樣，尋找具有不透明度極小值的采樣點A以及其后第一個具
有不透明度極大值的采樣點B，然后根據(jù)公式^= (Ab-Aa) / (Pb-Pa)計算斜 率；進行分層點的判定，并將^與指定的斜率閾值丄相比較，僅當(dāng)/^"時，確 定采樣點A為分層點。否則繼續(xù)沿光線尋找極小采樣點并重新進行分層點的判定。 當(dāng)確定分層點后，將累積不透明度4'置零，并從該分層點處利用光線投射算法進 行體繪制。當(dāng)累積的不透明度值4'超過指定閾值^_acc時結(jié)束該層組織的繪制，
并在該層組織之后尋找新的分層點，進行新的一層的繪制，直至采樣結(jié)束。 實施例2
參照圖1 圖7， 一種面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入 模塊，用于導(dǎo)入醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)；分層點確定模塊，用于利用光線投射算法，沿光線 尋找具有不透明度極小值的采樣點A，并記錄采樣點A的位置Pa以及不透明度 值A(chǔ)a;沿光線尋找A點之后的第一個具有不透明度極大值的采樣點B，并記錄B點的位置Pb以及不透明度值A(chǔ)b;根據(jù)公式^= (Ab - Aa) / (Pb - Pa) 計算采
樣點A、 B之間的斜率^s;由用戶指定一個斜率閾值L;比較；與L:僅當(dāng)^〉L 時，將采樣點A點作為一個分層點，否則繼續(xù)尋找能夠滿足分層要求的采樣點；
體繪制模塊，用于從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進
行直接體繪制，在分層點處將累計不透明度4'重置為零，根據(jù)公式 j; 二 jM +(1-4:》鴻，對該分層點之后的每個采樣點進行不透明度累加，指
定累積不透明度閾值』—acc，當(dāng)4'〉^—acc時，當(dāng)前分層結(jié)束繪制。 本實施例的工作過程與實施例1相同。
權(quán)利要求
1、一種面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制方法，其特征在于所述的分層剝離方法包括以下步驟(1)導(dǎo)入醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)；(2)利用光線投射算法，沿光線方向?qū)w數(shù)據(jù)采樣，通過計算相鄰的不透明度極小值和極大值之間的斜率，并根據(jù)用戶指定的斜率閾值和累積不透明度閾值確定分層點，包括(2. 1)、沿光線尋找具有不透明度極小值的采樣點A，并記錄采樣點A的位置Pa以及不透明度值A(chǔ)a；(2. 2)、沿光線尋找A點之后的第一個具有不透明度極大值的采樣點B，并記錄B點的位置Pb以及不透明度值A(chǔ)b；(2. 3)、根據(jù)公式lAB＝(Ab-Aa)/(Pb-Pa)計算采樣點A、B之間的斜率lAB；(2. 4)、由用戶指定一個斜率閾值L；(2. 5)、比較lAB與L僅當(dāng)lAB>L時，將采樣點A點作為一個分層點；(2. 6)、否則，轉(zhuǎn)(2.1)，繼續(xù)尋找能夠滿足分層要求的采樣點；(3)從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進行直接體繪制，包括(3. 1)、在分層點處將累計不透明度重置為零；(3. 2)、根據(jù)公式對該分層點之后的每個采樣點進行不透明度累加；(3. 3)、指定累積不透明度閾值A(chǔ)_acc，當(dāng)時，當(dāng)前分層結(jié)束繪制。
2、 一種用如權(quán)利要求1所述的面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離休繪制方法實現(xiàn)的體繪制系統(tǒng)，其特征在于所述體繪制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊，用于導(dǎo)入醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)；分層點確定模塊，用于利用光線投射算法，沿光線尋找具有不透明度極小值的采樣點A，并記錄采樣點A的位置Pa以及不透明度值A(chǔ)a;沿光線尋找A點之后的第一個具有不透明度極大值的采樣點B，并記錄B點的位置Pb以及不透明度值A(chǔ)b;根據(jù)公式~= (Ab - Aa) / (Pb - Pa) 計算采樣點A、 B之間的斜率^ ;由用戶指定一個斜率閾值L;比較^與L:僅當(dāng)仏〉L時，將采樣點A點作為一個分層點，否則繼續(xù)尋找能夠滿足分層要求的采樣點；體繪制模塊，用于從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進行直接體繪制，在分層點處將累計不透明度4:重置為零，根據(jù)公式4 =4.1 4 ，對該分層點之后的每個采樣點進行不透明度累加，指定累積不透明度閾值j_acc，當(dāng)4:>^4—flcc時，當(dāng)前分層結(jié)束繪制。
全文摘要
一種面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制方法，包括以下步驟1)導(dǎo)入醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)；2)利用光線投射算法，沿光線方向?qū)w數(shù)據(jù)采樣，通過計算相鄰的不透明度極小值和極大值之間的斜率，并根據(jù)用戶指定的斜率閾值和累積不透明度閾值確定分層點；3)從每條光線上不同組織的分層點處開始，利用光線投射算法進行直接體繪制。以及提供了一種面向醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分層剝離體繪制系統(tǒng)。本發(fā)明有效解決不同組織間的遮擋問題、計算簡單、準(zhǔn)確性高、能滿足臨床應(yīng)用的要求。
文檔編號G06T15/00GK101488233SQ20091009642
公開日2009年7月22日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者包佳蕊, 吳福理, 誠 李, 梁榮華, 毛劍飛, 莉 蔣, 譚國珍, 黃鮮萍 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)