基于局部直方圖的心血管冠脈增強(qiáng)的體繪制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種圖像處理領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于局部直方圖的心血管 冠脈增強(qiáng)的體繪制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 體繪制技術(shù)（VolumeRendering)能夠有效地展示體數(shù)據(jù)內(nèi)部隱含的特征信息，幫 助用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析與處理，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、氣象、科學(xué)仿真等領(lǐng)域。體 繪制技術(shù)主要是通過(guò)傳輸函數(shù)對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，即對(duì)體數(shù)據(jù)內(nèi)部特征映射不同的光學(xué)屬 性，進(jìn)而獲取感興趣特征的有效展示。然而，在醫(yī)學(xué)體繪制中，僅僅依靠標(biāo)量值的傳輸函數(shù) 無(wú)法有效地將標(biāo)量值范圍相近的兩種軟組織進(jìn)行區(qū)分渲染。其中極具代表性的例子就是心 血管中的主動(dòng)脈與冠狀動(dòng)脈，這兩種軟組織的標(biāo)量值就非常接近，傳統(tǒng)的體繪制方法無(wú)法 很好地將兩者區(qū)分開(kāi)來(lái)。
[0003] 為了有效分辨體數(shù)據(jù)內(nèi)部的特征信息，近些年學(xué)術(shù)界提出了大量的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì) 方法，主要可以分為兩大類(lèi)，即基于繪制結(jié)果圖像的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)方法和基于空間數(shù)據(jù)屬 性的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)方法。
[0004] 基于繪制結(jié)果圖像的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)方法在基于繪制結(jié)果圖像的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)過(guò) 程中，不需要用戶(hù)交互式定義釆樣點(diǎn)的光學(xué)屬性，而是對(duì)繪制結(jié)果圖像進(jìn)行直觀的操作，實(shí) 現(xiàn)后臺(tái)傳輸函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。相比于經(jīng)典的基于標(biāo)量值的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)方法，基于繪制結(jié) 果圖像的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單直觀、易于理解，對(duì)于不具備計(jì)算機(jī)圖形學(xué)背景知識(shí)和傳 輸函數(shù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。然而，該類(lèi)方法需要根據(jù)初始傳輸函數(shù)集繪制 大量的結(jié)果圖像，且根據(jù)用戶(hù)在圖像上的交互式操作，進(jìn)一步優(yōu)化初始傳輸函數(shù)集，實(shí)現(xiàn) 最優(yōu)傳輸函數(shù)的搜索與進(jìn)化，整個(gè)過(guò)程的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度較高，不利于高效的體 數(shù)據(jù)特征可視化與分析，具有一定的局限性。
[0005] 基于空間數(shù)據(jù)特征的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)方法拓展了基于標(biāo)量值屬性的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì) 方法，在體數(shù)據(jù)分類(lèi)過(guò)程中，引入其它的數(shù)據(jù)特征信息，幫助用戶(hù)更加精確的分析與提取體 數(shù)據(jù)中隱含的特征，增強(qiáng)體數(shù)據(jù)分類(lèi)的有效性。主要的方法有：
[0006] 1)對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行分割然后再分別體繪制，這種方法無(wú)法被擴(kuò)展成通用的體繪制方 法，因?yàn)樵诤芏鄨?chǎng)景下它需要引入非常耗時(shí)的人工交互。
[0007] 2) 2D的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)，這種方法通常將標(biāo)量值作為傳輸函數(shù)的第一維，梯度作為 第二維。梯度在增強(qiáng)邊界顯示方面十分有效，然而在區(qū)分具有相同標(biāo)量值的軟組織方面則 無(wú)能為力。然而在區(qū)分具有相同標(biāo)量值的軟組織方面則無(wú)能為力。
[0008] 經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)：多模態(tài)虛擬心臟可視化方法研宄[D].哈爾濱工業(yè) 大學(xué)2012. -文中用到的直方圖方法能夠有效地區(qū)分心臟內(nèi)不同標(biāo)量值范圍的組織，但是 無(wú)法有效地增強(qiáng)心血管中的冠脈。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于局部直方圖的心血管冠脈增 強(qiáng)的體繪制方法及系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠、實(shí)現(xiàn)方便、真實(shí)高效、工程應(yīng)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0011] 本發(fā)明涉及一種基于局部直方圖的心血管冠脈增強(qiáng)的體繪制方法，通過(guò)對(duì)心血管 體數(shù)據(jù)的全局直方圖中的波峰創(chuàng)建局部直方圖，并將多組局部直方圖合并后高斯擬合，以 擬合結(jié)果構(gòu)建第一維傳輸函數(shù)；心血管體數(shù)據(jù)中的冠脈和主動(dòng)脈進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性分析，即根據(jù) 狹窄度特性置信度和心肌距離置信度判斷每塊體數(shù)據(jù)屬于冠脈還是屬于主動(dòng)脈，以判斷結(jié) 果構(gòu)建第二維傳輸函數(shù)，實(shí)現(xiàn)體繪制。
[0012] 所述方法具體包括以下步驟：
[0013] 1)建立心血管體數(shù)據(jù)的全局直方圖；
[0014] 2)找到全局直方圖中最高的波峰，S卩：由于心血管體數(shù)據(jù)中存在噪聲導(dǎo)致產(chǎn)生的 全局直方圖光滑性較差，根據(jù)全局直方圖的最大值查找的最高波峰往往不是真正的最高波 峰；本發(fā)明為了克服這一問(wèn)題，首先對(duì)全局直方圖進(jìn)行多項(xiàng)式最佳擬合，然后根據(jù)擬合出來(lái) 的多項(xiàng)式曲線進(jìn)行最大值查找，從而找到真正的最高波峰。
[0015] 3)根據(jù)波峰創(chuàng)建局部直方圖（PRH)，具體步驟為：
[0016] 3. 1)對(duì)步驟2找出的最高波峰進(jìn)行均值y、方差為〇的高斯曲線擬合。
[0017] 所述的擬合，標(biāo)準(zhǔn)為最小化高斯曲線和直方圖兩者標(biāo)量值在y±a〇范圍內(nèi)累 積的高度誤差；a通常被賦值為1 ;
[0018] 3. 2)對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，每塊的體素?cái)?shù)目為83,計(jì)算每塊體數(shù)據(jù)中標(biāo)量值在
y± 〇 〇區(qū)間的體素?cái)?shù)量占該塊體素總數(shù)量的比重 其中：N為該塊體 ? 數(shù)據(jù)的所有體素，V。為標(biāo)量值在〇范圍內(nèi)的體素集。
[0019] 3. 3)判斷每塊體數(shù)據(jù)的0^是否滿足《e，如果滿足則該塊體數(shù)據(jù)被增加到 PRH中，eG[0, 1]為比重閾值。
[0020] 4)從全局直方圖中移除步驟3創(chuàng)建的PRH;
[0021] 5)按步驟2~4的操作遍歷所有全局直方圖；
[0022] 6)將所有得到的PRH中相似的合并，具體為：當(dāng)一組PRH的方差相似且均值相近， 即0max/ 0min彡4且yMX-y―彡〇 _ ?max(1，2- 〇 _/40)，對(duì)這組PRH進(jìn)行合并；然后合 并的PRH再次進(jìn)行高斯曲線擬合。
[0023] 7)對(duì)心血管體數(shù)據(jù)中的冠脈和主動(dòng)脈進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性分析，即根據(jù)狹窄度特性置信度 和心肌距離置信度綜合判斷每塊體數(shù)據(jù)屬于冠脈還是屬于主動(dòng)脈。
[0024] 所述的狹窄度特性置信度是指：由于冠脈比主動(dòng)脈要狹窄很多，因此通過(guò)在區(qū)間
[-1，1]的符號(hào)變量Pl來(lái)表示每塊體數(shù)據(jù)中的血管在狹窄度特性上是屬于冠脈還是屬于主 動(dòng)脈的置f曰度丹=(?r(^)-沿])/4，其中：A_ 2 '屯=(wB1_ ? A1) /2，①丨是王動(dòng) 脈與冠脈的混合標(biāo)量值區(qū)間，冠脈《的下確界《A1和主動(dòng)脈《jOi)的上確界《B1。
[0025] 所述的心肌距離置信度是指：由于冠脈比主動(dòng)脈更靠近心臟肌肉，因此通過(guò)在區(qū) 間[-1，1]的符號(hào)變量p2來(lái)表示每塊體數(shù)據(jù)中的血管在心肌距離上是屬于冠脈還是屬于 主動(dòng)脈的置信度廠2 =(吟((丨)-電)/ 4，其中：4 ⑶n+ %) / 2，d2 = ( ? B2_ ? A2) /2，①2是 心臟肌肉的標(biāo)量值區(qū)間；冠脈《J?2)的上確界《A2和主動(dòng)脈《J?2)的下確界《B2。
[0026] 所述的競(jìng)爭(zhēng)性分析是指：按照要求設(shè)定n個(gè)評(píng)判特性，然后對(duì)這n個(gè)評(píng)判特性計(jì)算 出來(lái)符號(hào)變量Pi進(jìn)行加權(quán)平均求出最終的符號(hào)判斷變量P，
，其中：\表示第i 個(gè)評(píng)判特性在最終的分類(lèi)結(jié)果中所占的權(quán)重，
當(dāng)P〈〇,則判斷該塊體數(shù)據(jù)中的血管 屬于冠脈；當(dāng)P多〇,則判斷該塊體數(shù)據(jù)中的血管屬于主動(dòng)脈，在心血管冠脈增強(qiáng)領(lǐng)域一般 采用但不限于pJPP2，在不同的領(lǐng)域可以相應(yīng)增加到n個(gè)。
[0027] 8)根據(jù)步驟1 - 6得到的PRH構(gòu)建第一維傳輸函數(shù)（TF);然后根據(jù)步驟7得到的 在冠脈和主動(dòng)脈標(biāo)量值重疊區(qū)域中每塊體數(shù)據(jù)的從屬結(jié)果構(gòu)建第二維傳輸函數(shù)（TF)。
[0028] 本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，包括：直方圖波峰檢測(cè)模塊、PRH模塊、置 信度計(jì)算模塊、傳輸函數(shù)構(gòu)建模塊以及體繪制模塊，其中：直方圖波峰檢測(cè)模塊與PRH模塊 相連并輸出直方圖的波峰位置信息，PRH模塊與置信度計(jì)算模塊相連并輸出體數(shù)據(jù)塊的權(quán) 重參數(shù)信息，置信度計(jì)算模塊與傳輸函數(shù)構(gòu)建模塊相連并輸出體數(shù)據(jù)塊的從屬信息，傳輸 函數(shù)構(gòu)建模塊與體繪制模塊相連并輸出傳輸函數(shù)信息。 技術(shù)效果
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果包括：
[0030] 1)采用局部直方圖來(lái)進(jìn)行體繪制的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單有效地將心血管中的冠脈 與主動(dòng)脈區(qū)分開(kāi)來(lái)，巧妙地實(shí)現(xiàn)了冠脈的增強(qiáng)顯示；
[0031] 2)采用的局部直方圖能夠自適應(yīng)不同成像機(jī)器生成的體數(shù)據(jù)，而且能夠自動(dòng)構(gòu)建 傳輸函數(shù)，省時(shí)且魯棒性強(qiáng)。
[0032] 3)采用高斯函數(shù)來(lái)擬合全局直方圖的波峰，有效地將局部波峰從全局直方圖中提 取出來(lái)。
[0033] 4)冠脈與主動(dòng)脈的競(jìng)爭(zhēng)性分析能夠根據(jù)用戶(hù)需求自定義n個(gè)特性，因此可以輕松 應(yīng)用到其它組織的增強(qiáng)顯示。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1為本發(fā)明流程示意圖；
[0035] 圖2為實(shí)施例中二維傳輸函數(shù)構(gòu)建示意圖。
[0036] 圖3為實(shí)施例效果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。 實(shí)施例1
[0038]本實(shí)施例在一臺(tái)擁有IntelCoreDuoi73770KCPU、一個(gè)NVIDIAGeForceGTX 760和8G內(nèi)存的個(gè)人計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，整個(gè)體繪制算法采用C++實(shí)現(xiàn)，光線投射過(guò)程使用 glsl著色語(yǔ)言。
[0039] 如圖1所示，本實(shí)施例包括以下步驟：
[0040] 1)建立心血管體數(shù)據(jù)的全局直方圖；
[0041] 2)找到全局直方圖中最高的波峰；
[0042] 3)根據(jù)波峰創(chuàng)建局部直方圖（PRH);
[0043]