專利名稱：三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法。
背景技術(shù)：
體繪制技術(shù)是醫(yī)學(xué)可視化研究的一個(gè)重要方面，特別是在醫(yī)療診斷和輔助外科等方面，已經(jīng)成為一種必不可少的工具。隨著醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的快速發(fā)展，由設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也在逐步增加，而臨床感興趣的組織或部位，相對于整個(gè)體數(shù)據(jù)來說是較小的，例如頭部的血管、腎臟或肝臟內(nèi)的病變、肺部的腫瘤等等。醫(yī)生通過對數(shù)據(jù)的觀察，進(jìn)而得出結(jié)論，是一個(gè)非常復(fù)雜的任務(wù)，必須考慮到可疑病變組織的解剖結(jié)構(gòu)，包括病灶的大小、形狀，以及其空間位置和周邊組織結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。利用體繪制技術(shù)輔助，醫(yī)生可以對可疑病灶部位進(jìn)三維的觀察，可以有效的觀察不同部位或組織的空間位置信息，但在很多情況下，直接體繪制的顯示效果并不理想，如頭部血管造影數(shù)據(jù)中，頭部的血管是醫(yī)生觀察的重要組織，但頭骨的密度值和造影的血管密度值非常接近，利用直接體繪制中一維傳遞函數(shù)的調(diào)節(jié)很難調(diào)節(jié)出好的顯示效果。采用剖切方法去除遮擋感興趣區(qū)域的組織是比較直觀的方法，但剖切方法很難保留感興趣組織的上下文信息。為了改進(jìn)上面的不足，weiskopf等人提出構(gòu)建任意的剖切曲面，用戶通過對剖切曲面的選擇來實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域上下文信息的保留，但在交互性上明顯不夠靈活，且對感興趣區(qū)域的選擇仍不夠理想；基于焦點(diǎn)和上下文的可視化方法，周等人提出采用距離來增強(qiáng)和減弱不同組織，其主要思想是引入焦點(diǎn)( 或感興趣點(diǎn))，通過當(dāng)前采樣點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離來作用于當(dāng)前采樣點(diǎn)的不透明度；焦點(diǎn)的引入可以確定用戶目標(biāo)區(qū)域，有利于快速鎖定三維空間中得焦點(diǎn)，周的方法解決了感興趣區(qū)域定位的問題，但對感興趣區(qū)域的顯示效果并不是但好；StefanBruckner等提出保留上下文環(huán)境體繪制方法，主要是運(yùn)用梯度構(gòu)造出不透明度衰減函數(shù)，根據(jù)采樣點(diǎn)與視點(diǎn)的距離和光照強(qiáng)度來對不透明度衰減函數(shù)進(jìn)行衰減，可以在保留組織結(jié)構(gòu)的同時(shí)達(dá)到透視組織內(nèi)部的效果。Stefan Bruckner的方法采用了全局處理，所以得到的透視效果也是全局透視，對非感興趣區(qū)域也產(chǎn)生了不必要的影響。在1( 恩格爾的“利用虛擬切割的背景中體積可視化的系統(tǒng)及方法”專利中，提出首先切割區(qū)域?yàn)閮?nèi)外兩部分，再分別使用兩個(gè)不同的傳遞函數(shù)對內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)顯示保留上下文的類似虛擬切割的效果(在專利原文中把保留上下文翻譯為背景)。其目的同本發(fā)明類似，都是為了能夠觀察到被遮擋住的感興趣區(qū)域信息。K 恩格爾的實(shí)現(xiàn)方法首先要對數(shù)據(jù)場進(jìn)行切割，然而要完成精準(zhǔn)的切割，既能夠保證感興趣區(qū)域和周圍的組織信息被完整的保留下來，又要把遮擋區(qū)域劃分出來，這顯然是一個(gè)相當(dāng)費(fèi)時(shí)與交互性較難的工作，大大的降低了臨床應(yīng)用性的可能
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法，在清晰顯示感興趣區(qū)域的同時(shí)，保留與該感興趣區(qū)域周圍相關(guān)的結(jié)構(gòu)信息，以克服諸如剖切等方法帶來的交互復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)信息的丟失以及現(xiàn)有方法中目標(biāo)區(qū)域的模糊等不良現(xiàn)象。本發(fā)明的目的可通過以下的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法，該方法包括如下步驟(a)將三維圖像序列存儲(chǔ)為三維紋理數(shù)據(jù)，用于后面的三維圖像序列的密度值索弓丨，并繪制三維圖像序列的包圍盒；(b)計(jì)算視點(diǎn)位置調(diào)用開放式圖形庫中的glGetFloatv函數(shù)，獲得一個(gè)4X4的模型視圖矩陣，再計(jì)算出該矩陣的逆矩陣，把該逆矩陣最后一行的四個(gè)量作為視點(diǎn)位置；由視點(diǎn)到三維圖像序列包圍盒最外層的每一個(gè)像素都引一條射線穿過三維圖像體數(shù)據(jù)，沿每條射線等間隔采樣圖像序列，得到采樣點(diǎn)處的密度值；(C)使用傳遞函數(shù)將采樣點(diǎn)的密度值映射為顏色和不透明度；(d)任選三維紋理 數(shù)據(jù)中的一點(diǎn)標(biāo)定為焦點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前采樣點(diǎn)與焦點(diǎn)的距離和角度信息，構(gòu)建高斯模型，對當(dāng)前采樣點(diǎn)處的不透明度進(jìn)行修正；(e)沿射線方向?qū)λ胁蓸狱c(diǎn)重復(fù)步驟(c)、(d)的處理，得到所有采樣點(diǎn)的顏色和修正后的不透明度，并且將所有采樣點(diǎn)的顏色和修正后的不透明度進(jìn)行累加，并把累加顏色值作為當(dāng)前射線對應(yīng)的屏幕像素點(diǎn)的顏色值；(f)對所有的射線做同樣的處理，最終得到投射到屏幕上的所有像素點(diǎn)的顏色值。本發(fā)明中，所述步驟(a)中，將三維圖像序列存儲(chǔ)為三維紋理數(shù)據(jù)時(shí)首先對三維圖像序列數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并且最大紋理坐標(biāo)被確定為滿足條件Τε=2η，c e {x，y，z}，其中X表示冠狀面的垂線，y表示矢狀面的垂線，z表示橫斷面的垂線，T。是在c方向的紋理坐標(biāo)，η是滿足2n ^ S。的最小整數(shù)，S。是在c方向的圖像序列的維度；所述步驟(a)中，繪制三維圖像序列的包圍盒是以所述T。，c e {x, y, z}分別為長、寬、高繪制的立方體。本發(fā)明中，所述步驟(b)中對每條射線上進(jìn)行等間隔采樣，采樣間距在交互與靜態(tài)時(shí)采用不同的值，所述交互指用戶對圖像進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、裁剪操作，靜態(tài)指用戶對圖像進(jìn)行的靜止操作。本發(fā)明中，所述步驟(b)中對每條射線上進(jìn)行等間隔采樣，采樣間距在交互與靜態(tài)時(shí)采用不同的值，即當(dāng)用戶進(jìn)行圖像旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、裁剪等交互操作時(shí)采用的采樣間隔是l/128mm，在靜態(tài)時(shí)采用的采樣間隔是l/1024mm，所述交互指用戶對圖像進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、裁剪操作，靜態(tài)指用戶對圖像進(jìn)行的靜止操作。采樣間距在交互與靜態(tài)時(shí)采用不同的值。在交互時(shí)使用較大的采樣間距，而在靜態(tài)時(shí)使用更精確的采樣間距。本文在交互與靜態(tài)時(shí)分別采用的采樣間隔是l/1024mm和l/128mm，這樣既保證了渲染質(zhì)量，又有很好的交互效果。本發(fā)明中，所述步驟(C)使用傳遞函數(shù)將采樣點(diǎn)的密度值映射為顏色和不透明度后，把不透明度乘以采樣點(diǎn)的歸一化的梯度值作為新的不透明度，然后再進(jìn)行步驟(d)的處理。本發(fā)明中，所述步驟(d)中構(gòu)建動(dòng)態(tài)高斯函數(shù)的過程是所述焦點(diǎn)與當(dāng)前采樣點(diǎn)連線構(gòu)成的基準(zhǔn)線和視線的夾角為I,.，以及焦點(diǎn)與當(dāng)前采樣點(diǎn)的距離為參數(shù)‘，即基準(zhǔn)線的長度，同時(shí)引入?yún)?shù)k，來構(gòu)建動(dòng)態(tài)高斯模型，把為高斯函數(shù)的輸入，高斯函數(shù)的均值為0，高斯函數(shù)方差為k_(l-cos6^)，輸出作為采樣點(diǎn)處的新的不透明度的衰減系數(shù)，可得到如下高斯函數(shù)方程
權(quán)利要求
1.三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法，該方法包括如下步驟(a)將三維圖像序列存儲(chǔ)為三維紋理數(shù)據(jù)，用于后面的三維圖像序列的密度值索引，并繪制三維圖像序列的包圍盒；(b)計(jì)算視點(diǎn)位置調(diào)用開放式圖形庫中的glGetFloatv函數(shù)，獲得一個(gè)4X4的模型視圖矩陣，再計(jì)算出該矩陣的逆矩陣，把該逆矩陣最后一行的四個(gè)量作為視點(diǎn)位置；由視點(diǎn)到三維圖像序列包圍盒最外層的每一個(gè)像素都引一條射線穿過三維圖像體數(shù)據(jù)，沿每條射線等間隔采樣圖像序列，得到采樣點(diǎn)處的密度值；(c)使用傳遞函數(shù)將采樣點(diǎn)的密度值映射為顏色和不透明度；(d)任選三維紋理數(shù)據(jù)中的一點(diǎn)標(biāo)定為焦點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前采樣點(diǎn)與焦點(diǎn)的距離和角度信息，構(gòu)建高斯模型，對當(dāng)前采樣點(diǎn)處的不透明度進(jìn)行修正；(e)沿射線方向?qū)λ胁蓸狱c(diǎn)重復(fù)步驟(c)、(d)的處理，得到所有采樣點(diǎn)的顏色和修正后的不透明度，并且將所有采樣點(diǎn)的顏色和修正后的不透明度進(jìn)行累加，并把累加顏色值作為當(dāng)前射線對應(yīng)的屏幕像素點(diǎn)的顏色值；(f)對所有的射線做同樣的處理，最終得到投射到屏幕上的所有像素點(diǎn)的顏色值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(a)中，將三維圖像序列存儲(chǔ)為三維紋理數(shù)據(jù)時(shí)首先對三維圖像序列數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并且最大紋理坐標(biāo)被確定為滿足條件Τε=2η，c e {χ, y, z}，其中X表示冠狀面的垂線，y表不矢狀面的垂線，z表不橫斷面的垂線，Tc是在c方向的紋理坐標(biāo)，η是滿足2n ^ Sc的最小整數(shù)，S。是在c方向的圖像序列的維度；所述步驟(a)中，繪制三維圖像序列的包圍盒是以所述TyC e {x，y，z}分別為長、寬、高繪制的立方體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(b)中對每條射線上進(jìn)行等間隔采樣，采樣間距在交互與靜態(tài)時(shí)采用不同的值，所述交互指用戶對圖像進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、裁剪操作，靜態(tài)指用戶對圖像進(jìn)行的靜止操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(c)使用傳遞函數(shù)將采樣點(diǎn)的密度值映射為顏色和不透明度后，把不透明度乘以采樣點(diǎn)的歸一化的梯度值作為新的不透明度，然后再進(jìn)行步驟(d)的處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(d)中構(gòu)建動(dòng)態(tài)高斯函數(shù)的過程是所述焦點(diǎn)與當(dāng)前采樣點(diǎn)連線構(gòu)成的基準(zhǔn)線和視線的夾角為I，以及焦點(diǎn)與當(dāng)前采樣點(diǎn)的距離為參數(shù)，即基準(zhǔn)線的長度，同時(shí)引入?yún)?shù)k，來構(gòu)建動(dòng)態(tài)高斯模型，把為高斯函數(shù)的輸入，高斯函數(shù)的均值為0，高斯函數(shù)方差為k-(l-C0S&}，輸出作為采樣點(diǎn)處的新的不透明度的衰減系數(shù)，可得到如下高斯函數(shù)方程
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(e)中在著色器程序中對顏色和不透明度進(jìn)行累加計(jì)算，使用兩層while嵌套循環(huán)進(jìn)行迭代計(jì)算。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法，其特征在于所述步驟(f)在計(jì)算最終屏幕顯示的顏色時(shí)，只是位于圖像序列的包圍盒內(nèi)的像素點(diǎn)才會(huì)進(jìn)行投射光線，并計(jì)算最終像素點(diǎn)顏色，位于包圍盒之外的像素點(diǎn)顏色直接設(shè)置為背景色。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)高斯體模型繪制方法，包括以下步驟(a)把圖像序列保存為三維紋理以用于后面的紋理檢索采樣；(b)由視點(diǎn)到圖像序列的最表面外層像素引射線穿過體數(shù)據(jù)，對每條射線上進(jìn)行等間隔采樣，得到采樣點(diǎn)處的密度值；(c)使用傳遞函數(shù)將采樣點(diǎn)的密度值映射為顏色和不透明度；(d)根據(jù)當(dāng)前采樣點(diǎn)與焦點(diǎn)的距離和角度信息，構(gòu)建高斯模型，對采樣點(diǎn)的不透明度進(jìn)行修正；(e)沿光線方向?qū)λ胁蓸狱c(diǎn)的不透明度和顏色進(jìn)行累加，最終得到投射到屏幕一點(diǎn)的顏色值。該方法可以清晰顯示焦點(diǎn)區(qū)域處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)同時(shí)保留了焦點(diǎn)周圍的組織結(jié)構(gòu)，而不像傳統(tǒng)的統(tǒng)一剖切，達(dá)到了焦點(diǎn)加上下文的效果。
文檔編號(hào)G06T15/08GK103049930SQ20121052537
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者馮前進(jìn), 陳武凡, 王文化, 贠照強(qiáng) 申請人:南方醫(yī)科大學(xué)