專(zhuān)利名稱：三維建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維建模方法，特別是涉及一種基于最小能量約束的離散化醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)的三維建模方法。
背景技術(shù)：
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，特別是在心電生理方面的研究和治療方面，需要分析、研究和參考 心腔內(nèi)膜的三維表面形態(tài)，以及附屬于該表面形態(tài)的心內(nèi)電生理信息，用以分析心內(nèi)電生 理的異常情況和各類(lèi)心律失常。心腔內(nèi)膜的三維表面模型可以直觀簡(jiǎn)潔地描述心腔內(nèi)膜的 三維表面形態(tài)和附屬于該三維表面形態(tài)上的心內(nèi)電生理信息。各類(lèi)的醫(yī)學(xué)三維建模方法有很多，主要分為兩大類(lèi)一是基于CT/MRI序列圖像的 三維建模方法；二是基于醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)采集的離散化數(shù)據(jù)的三維建模方法。何暉光等人在《軟件學(xué)報(bào)》第13卷第2期發(fā)表的《基于分割的三維醫(yī)學(xué)圖像表面 重建算法》中描述了一種基于分割的三維醫(yī)學(xué)圖像表面重建算法，該論文的公開(kāi)內(nèi)容在此 引入以供參考。將圖像分割與MC(Marching Cubes)算法相結(jié)合，采用適合的分割方法，對(duì) 圖像進(jìn)行分割。利用分割結(jié)果的等值面，應(yīng)用MC算法進(jìn)行三維重構(gòu)。該方法適用于CT/MRI 圖像密集數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)，不適應(yīng)于具有稀疏特性的離散化數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)。譚建榮等人在《軟件學(xué)報(bào)》第13卷第11期發(fā)表的《基于曲面局平特性的散亂數(shù)據(jù) 拓?fù)渲亟ㄋ惴ā分忻枋隽艘环N基于曲面局平特性的，以散亂點(diǎn)集及其密度指標(biāo)作為輸入，以 三角形分片線性曲面作為輸出的拓?fù)渲亟ㄋ惴?，該論文的公開(kāi)內(nèi)容在此引入以供參考。該 算法利用曲面局平特性，從散亂點(diǎn)集三維Delaimay三角剖分的領(lǐng)域結(jié)構(gòu)中完成每個(gè)樣點(diǎn) 周?chē)木植客負(fù)渲亟?，從局部重建的三角片并集中得到三維重建的結(jié)果。該算法在散亂點(diǎn) 集較稀疏時(shí)，容易出較大曲面空洞、曲面形態(tài)不光滑和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)異常等問(wèn)題。M-P-斯特凡諾等人的中國(guó)專(zhuān)利200780030522中描述了一種三維圖形建模方法， 該專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容在此引入以供參考。該方法至少包括對(duì)于至少兩個(gè)元素，確定與接口有 關(guān)的元素的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的步驟；在軟件資源級(jí)借助于所確定的參數(shù)顯示接口的三維圖 形建模的步驟。M-A-古爾森等人的中國(guó)專(zhuān)利200710101291中描述了一種用于生成血管模型的 三維建模方法，該專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容在此引入以供參考。該方法沿血管的中心線設(shè)置一系列 種子點(diǎn)，基于種子點(diǎn)為同心圓的系列環(huán)生成血管曲面。該方法僅局限于血管建模的領(lǐng)域，并 不能寬泛適用于復(fù)雜的心腔內(nèi)膜的建模領(lǐng)域。Reisfeld等人的美國(guó)專(zhuān)利6，226，542中描述了一種用于心腔內(nèi)三維建模的方法， 該專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容在此引入以供參考。該方法生成接近三維定位點(diǎn)的初始化網(wǎng)格點(diǎn)；對(duì)于 每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，都依據(jù)若干定位點(diǎn)與若干網(wǎng)格點(diǎn)的位移來(lái)確定一個(gè)唯一向量；按照向量移 動(dòng)網(wǎng)格點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)重建表面接近或類(lèi)似于物體的三維表面形態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種三維建模方法，應(yīng)用醫(yī)學(xué)導(dǎo)管 在心腔內(nèi)采集醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)，將醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維表面重構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種三維建模方法，包括如下步驟
第一步，根據(jù)離散化醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)凸殼運(yùn)算，生成醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)的 拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)；第二步，根據(jù)離散化醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)，生成三維空間的可形變封閉曲面，該可形 變曲面包圍所有采集的三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；第三步，根據(jù)可形變封閉曲面的能量特性和醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)的拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)， 在最小能量約束條件下，采用水平集重構(gòu)方法，將可形變封閉曲面迭代逼近拓?fù)浔砻嫘?態(tài)；第四步，將每個(gè)醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)附近的可形變曲面進(jìn)行局部調(diào)整，使局部可形 變曲面與每個(gè)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)重合，構(gòu)建準(zhǔn)確接近的醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)的封閉 光滑曲面模型。所述水平集重構(gòu)方法為窄帶法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是應(yīng)用醫(yī)學(xué)導(dǎo)管在心腔內(nèi)采集醫(yī)學(xué)三維標(biāo) 測(cè)數(shù)據(jù)，將醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維表面重構(gòu)，可生成準(zhǔn)確接近于心腔內(nèi)膜表面形態(tài)的 三維表面模型，用以指導(dǎo)和輔助醫(yī)生進(jìn)行心電生理或心律失常的醫(yī)學(xué)研究。
具體實(shí)施例方式本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說(shuō)明書(shū)(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖
)中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘 述，均可被其他等效或具有類(lèi)似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只 是一系列等效或類(lèi)似特征中的一個(gè)例子而已。一種三維建模方法，包括如下步驟第一步，根據(jù)離散化醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)凸殼運(yùn)算，生成醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)的 拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)通過(guò)正切線算法生成三維拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)，包括如下步驟已知原有凸殼C由頂點(diǎn)序列Vp V2、…、Vm組成。P為待處理實(shí)時(shí)點(diǎn)。算法步驟步驟A、在C上任選三點(diǎn)Ni0, Vjo, Vko ；步驟B、判定P是否為C的內(nèi)點(diǎn)，如果Z Vi0PVj0, Z VjtlPVktl及幺Vk0PVi0極性都相同， 則P是C的內(nèi)點(diǎn)，算法終止；否則必定是二正一負(fù)或二負(fù)一正；步驟C、取一對(duì)極性不同的二個(gè)角，若Z Vi0PVj0與Z VjoPVko的極性不同(a)、若Vitl, Vktl均為Vjtl的相鄰頂點(diǎn)，則Vjtl是一個(gè)切點(diǎn)，進(jìn)入步驟D找另一個(gè)切點(diǎn)；(b)、若Vitl不是Vjtl的相鄰頂點(diǎn)，找出VitlVjtl的中間點(diǎn)V'，若Vktl不是Vjtl的相鄰頂點(diǎn)，找出VjtlVktl的中間點(diǎn)V"；(C)、按 VitlV' VjtlV" Vktl 的次序依次比較 Z VitlPV'和Z V' PVjo, Z V' PVj0 和Z VjoPV" RZ VjoPV"和Z V" PVko 這三對(duì)極性。把首先找到的一對(duì)極性不同的相鄰二角的三個(gè)點(diǎn)作為新的Vitl，Vjo, Vktl，重復(fù)步驟 C。如果三對(duì)極性都相同，則P是C的內(nèi)點(diǎn)，算法停止。步驟D、取另一對(duì)極性不同的二個(gè)角，在此區(qū)間中求另一切點(diǎn)。除按VitlV' VjoV" Vko 相反次序進(jìn)行比較外，處理步驟與步驟C完全一樣；步驟Edi Vt代表編號(hào)較小的切點(diǎn)，V' t代表編號(hào)較大的切點(diǎn)；步驟F、當(dāng)^^凡^與^^卞的極性相同時(shí)，新凸殼由？，^ -,V',組 成，否則，由P，V' t, V' t+1，…，Vm，Vt組成。第二步，根據(jù)離散化醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)，生成三維空間的可形變封閉曲面，該可形 變曲面包圍所有采集的三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)生成三維空間的可形變封閉曲面，包括如下步驟
步驟A、計(jì)算三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)中心位置，可以選擇計(jì)算為數(shù)據(jù)重心，或者為數(shù)據(jù)幾何 中心；步驟B、計(jì)算標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)物體半徑，依據(jù)中心位置和數(shù)據(jù)中最遠(yuǎn)點(diǎn)，計(jì)算最大距離作 為物體半徑；步驟C、依據(jù)最小數(shù)據(jù)量球面網(wǎng)格生成算法，生成可形變封閉曲面首先，初始生成六個(gè)有限網(wǎng)格點(diǎn)的正方形平面；其次，將六個(gè)正方形網(wǎng)格點(diǎn)平面拼 接成一個(gè)立方體；最后，依據(jù)需要的球面半徑大小，以立方體中心為球心，將每一網(wǎng)格點(diǎn)在 該點(diǎn)與球心方向上移動(dòng)到距球心距離為半徑大小處。從而構(gòu)建出球心、半徑為指定的均勻 球面網(wǎng)格模型。第三步，根據(jù)可形變封閉曲面的能量特性和醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)的拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)， 在最小能量約束條件下，采用水平集重構(gòu)方法，將可形變封閉曲面迭代逼近拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)。水平集重構(gòu)方法主要思想是將曲線、曲面和圖像演化表示為更高維的超平面水平 集，其演化速度就是該曲線曲面當(dāng)?shù)厍实暮瘮?shù)，水平集重構(gòu)方法包括步驟如下步驟A、設(shè)定可形變曲面為Γ，可形變曲面的深化速度函數(shù)為F，可形變曲面的高 維平滑函數(shù)Φ Γ (t) = {χ, y, ζ | Φ (χ, y, ζ, t) = 0}步驟B、依據(jù)可形變曲面的能量特性和標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)的拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)，將可形變曲面逼 近目標(biāo)模型，即，使曲面能量最小Ε(Γ) = f rd(x，y，ζ) dC求可形變曲面Γ關(guān)于能量的一階偏導(dǎo)
「C -= \d{x,y,z)dC [dVdgn + dk]
5Γ L JrJ d (χ, γ, ζ) [Vd (χ, γ, z)gn + d (χ, γ, z)k] = 0其中，η是單位法向量，k是可形變曲面Γ的平均曲率，c是離散頂點(diǎn)集合， ▽辦爐為可形變曲面的內(nèi)部能量特性，d(x, y，ζ) k為可形變曲面的外部能量特性，求 可形變曲面的內(nèi)外能量的最小化。步驟C、通過(guò)水平集方法，根據(jù)能量最小化特性來(lái)改變曲面中網(wǎng)格點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)曲面模型逐步逼近<formula>formula see original document page 6</formula>第四步，將每個(gè)醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)附近的可形變曲面進(jìn)行局部調(diào)整，使局部可形 變曲面與每個(gè)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)重合，從而構(gòu)建準(zhǔn)確接近的醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)的 封閉光滑曲面模型構(gòu)建準(zhǔn)確接近的醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)的封閉光滑曲面模型，使得每個(gè) 三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均在表面模型上；在表面封閉模型中查找每個(gè)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)最近的網(wǎng)格 的點(diǎn)，將網(wǎng)格點(diǎn)固定到三維標(biāo)測(cè)點(diǎn)上，并進(jìn)行平滑處理。本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的 新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。
權(quán)利要求
一種三維建模方法，其特征在于包括如下步驟第一步，根據(jù)離散化醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)凸殼運(yùn)算，生成醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)的拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)；第二步，根據(jù)離散化醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)，生成三維空間的可形變封閉曲面，該可形變曲面包圍所有采集的三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；第三步，根據(jù)可形變封閉曲面的能量特性和醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)的拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)，在最小能量約束條件下，采用水平集重構(gòu)方法，將可形變封閉曲面迭代逼近拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)；第四步，將每個(gè)醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)附近的可形變曲面進(jìn)行局部調(diào)整，使局部可形變曲面與每個(gè)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)重合，構(gòu)建準(zhǔn)確接近的醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)的封閉光滑曲面模型。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三維建模方法，通過(guò)凸殼運(yùn)算，生成醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)的拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)；初始生成三維空間的可形變封閉曲面，該可形變曲面包圍所有采集的三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；采用水平集重構(gòu)方法，將可形變封閉曲面迭代逼近拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)；將每個(gè)醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)附近的可形變曲面進(jìn)行局部調(diào)整，使局部可形變曲面與每個(gè)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)重合，構(gòu)建準(zhǔn)確接近的醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)拓?fù)浔砻嫘螒B(tài)的封閉光滑曲面模型。本發(fā)明的積極效果是應(yīng)用醫(yī)學(xué)導(dǎo)管在心腔內(nèi)采集醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)，將醫(yī)學(xué)三維標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維表面重構(gòu)，可生成準(zhǔn)確接近于心腔內(nèi)膜表面形態(tài)的三維表面模型，用以指導(dǎo)和輔助醫(yī)生進(jìn)行心電生理或心律失常的醫(yī)學(xué)研究。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101814195SQ20101014958
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者史天才, 李楚文, 楊勇 申請(qǐng)人:李楚雅